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Java：CAS(樂觀鎖)
本文講解CAS機(jī)制，主要是因為最近準(zhǔn)備面試題，發(fā)現(xiàn)這個問題在面試中出現(xiàn)的頻率非常的高，因此把自己學(xué)習(xí)過程中的一些理解記錄下來，希望能對大家也有幫助。
什么是悲觀鎖、樂觀鎖？在java語言里，總有一些名詞看語義跟本不明白是啥玩意兒，也就總有部分面試官拿著這樣的詞來忽悠面試者，以此來找優(yōu)越感，其實理解清楚了，這些詞也就唬不住人了。
- synchronized是悲觀鎖，這種線程一旦得到鎖，其他需要鎖的線程就掛起的情況就是悲觀鎖。
- CAS操作的就是樂觀鎖，每次不加鎖而是假設(shè)沒有沖突而去完成某項操作，如果因為沖突失敗就重試，直到成功為止。
在進(jìn)入正題之前，我們先理解下下面的代碼:
private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
//每個線程讓count自增100次
for (int i = 0; i < 100; i++) {
count++;
}
}
}).start();
}
try{
Thread.sleep(2000);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(count);
}
請問cout的輸出值是否為200？答案是否定的，因為這個程序是線程不安全的，所以造成的結(jié)果count值可能小于200;
那么如何改造成線程安全的呢，其實我們可以使用上Synchronized同步鎖,我們只需要在count++的位置添加同步鎖，代碼如下:
private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
//每個線程讓count自增100次
for (int i = 0; i < 100; i++) {
synchronized (ThreadCas.class){
count++;
}
}
}
}).start();
}
try{
Thread.sleep(2000);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(count);
}
加了同步鎖之后，count自增的操作變成了原子性操作，所以最終的輸出一定是count=200，代碼實現(xiàn)了線程安全。
但是Synchronized雖然確保了線程的安全，但是在性能上卻不是最優(yōu)的，Synchronized關(guān)鍵字會讓沒有得到鎖資源的線程進(jìn)入BLOCKED狀態(tài)，而后在爭奪到鎖資源后恢復(fù)為RUNNABLE狀態(tài)，這個過程中涉及到操作系統(tǒng)用戶模式和內(nèi)核模式的轉(zhuǎn)換，代價比較高。
盡管Java1.6為Synchronized做了優(yōu)化，增加了從偏向鎖到輕量級鎖再到重量級鎖的過度，但是在最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓考夋i之后，性能仍然較低。
所謂原子操作類，指的是java.util.concurrent.atomic包下，一系列以Atomic開頭的包裝類。例如AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong。它們分別用于Boolean，Integer，Long類型的原子性操作。
private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
//每個線程讓count自增100次
for (int i = 0; i < 100; i++) {
count.incrementAndGet();
}
}
}).start();
}
try{
Thread.sleep(2000);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(count);
}
使用AtomicInteger之后，最終的輸出結(jié)果同樣可以保證是200。并且在某些情況下，代碼的性能會比Synchronized更好。
而Atomic操作的底層實現(xiàn)正是利用的CAS機(jī)制，好的，我們切入到這個博客的正點。
什么是CAS機(jī)制
CAS是英文單詞Compare And Swap的縮寫，翻譯過來就是比較并替換。
CAS機(jī)制當(dāng)中使用了3個基本操作數(shù)：內(nèi)存地址V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B。
更新一個變量的時候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V當(dāng)中的實際值相同時，才會將內(nèi)存地址V對應(yīng)的值修改為B。
CAS是英文單詞Compare And Swap的縮寫，翻譯過來就是比較并替換。
CAS機(jī)制當(dāng)中使用了3個基本操作數(shù)：內(nèi)存地址V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B。
更新一個變量的時候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V當(dāng)中的實際值相同時，才會將內(nèi)存地址V對應(yīng)的值修改為B。
這樣說或許有些抽象，我們來看一個例子：
1.在內(nèi)存地址V當(dāng)中，存儲著值為10的變量。
2.此時線程1想要把變量的值增加1。對線程1來說，舊的預(yù)期值A(chǔ)=10，要修改的新值B=11。
3.在線程1要提交更新之前，另一個線程2搶先一步，把內(nèi)存地址V中的變量值率先更新成了11。
4.線程1開始提交更新，首先進(jìn)行A和地址V的實際值比較（Compare），發(fā)現(xiàn)A不等于V的實際值，提交失敗。
5.線程1重新獲取內(nèi)存地址V的當(dāng)前值，并重新計算想要修改的新值。此時對線程1來說，A=11，B=12。這個重新嘗試的過程被稱為自旋。
6.這一次比較幸運(yùn)，沒有其他線程改變地址V的值。線程1進(jìn)行Compare，發(fā)現(xiàn)A和地址V的實際值是相等的。
7.線程1進(jìn)行SWAP，把地址V的值替換為B，也就是12。
從思想上來說，Synchronized屬于悲觀鎖，悲觀地認(rèn)為程序中的并發(fā)情況嚴(yán)重，所以嚴(yán)防死守。CAS屬于樂觀鎖，樂觀地認(rèn)為程序中的并發(fā)情況不那么嚴(yán)重，所以讓線程不斷去嘗試更新。
看到上面的解釋是不是索然無味，查找了很多資料也沒完全弄明白，通過幾次驗證后，終于明白，最終可以理解成一個無阻塞多線程爭搶資源的模型。先上代碼
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
/**
* @author hrabbit
* 2018/07/16.
*/
public class AtomicBooleanTest implements Runnable {
private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true);
public static void main(String[] args) {
AtomicBooleanTest ast = new AtomicBooleanTest();
Thread thread1 = new Thread(ast);
Thread thread = new Thread(ast);
thread1.start();
thread.start();
}
@Override
public void run() {
System.out.println("thread:"+Thread.currentThread().getName()+";flag:"+flag.get());
if (flag.compareAndSet(true,false)){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+""+flag.get());
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
flag.set(true);
}else{
System.out.println("重試機(jī)制thread:"+Thread.currentThread().getName()+";flag:"+flag.get());
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
run();
}
}
}
輸出的結(jié)果:
thread:Thread-1;flag:true
thread:Thread-0;flag:true
Thread-1false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重試機(jī)制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:true
Thread-0false
這里無論怎么運(yùn)行，Thread-1、Thread-0都會執(zhí)行if=true條件，而且還不會產(chǎn)生線程臟讀臟寫，這是如何做到的了，這就用到了我們的compareAndSet(boolean expect,boolean update)方法
我們看到當(dāng)Thread-1在進(jìn)行操作的時候，Thread一直在進(jìn)行重試機(jī)制，程序原理圖:
這個圖中重最要的是compareAndSet(true,false)方法要拆開成compare(true)方法和Set(false)方法理解，是compare(true)是等于true后，就馬上設(shè)置共享內(nèi)存為false，這個時候，其它線程無論怎么走都無法走到只有得到共享內(nèi)存為true時的程序隔離方法區(qū)。
看到這里，這種CAS機(jī)制就是完美的嗎？這個程序其實存在一個問題，不知道大家注意到?jīng)]有？
但是這種得不到狀態(tài)為true時使用遞歸算法是很耗cpu資源的，所以一般情況下，都會有線程sleep。
CAS的缺點：
1.CPU開銷較大
在并發(fā)量比較高的情況下，如果許多線程反復(fù)嘗試更新某一個變量，卻又一直更新不成功，循環(huán)往復(fù)，會給CPU帶來很大的壓力。
2.不能保證代碼塊的原子性
CAS機(jī)制所保證的只是一個變量的原子性操作，而不能保證整個代碼塊的原子性。比如需要保證3個變量共同進(jìn)行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。
