樂觀的併發策略——基於CAS的自旋

悲觀者與樂觀者的作事方式徹底不同，悲觀者的人生觀是一件事情我必需要百分之百徹底控制纔會去作，不然就認爲這件事情必定會出問題；而樂觀者的人生觀則相反，凡事無論最終結果如何，他都會先嚐試去作，大不了最後不成功。這就是悲觀鎖與樂觀鎖的區別，悲觀鎖會把整個對象加鎖佔爲自有後纔去作操做，樂觀鎖不獲取鎖直接作操做，而後經過必定檢測手段決定是否更新數據。這一節將對樂觀鎖進行深刻探討。

前面用Synchronized互斥鎖屬於悲觀鎖，它有一個明顯的缺點，它無論數據存不存在競爭都加鎖，隨着併發量增長，且若是鎖的時間比較長，其性能開銷將會變得很大。有沒有辦法解決這個問題？答案是基於衝突檢測的樂觀鎖。這種模式下，已經沒有所謂的鎖概念了，每條線程都直接先去執行操做，計算完成後檢測是否與其餘線程存在共享數據競爭，若是沒有則讓此操做成功，若是存在共享數據競爭則可能不斷地從新執行操做和檢測，直到成功爲止，可叫CAS自旋。

樂觀鎖的核心算法是CAS（Compare and Swap），它涉及到三個操做數：內存值、預期值、新值。當且僅當預期值和內存值相等時纔將內存值修改成新值。這樣處理的邏輯是，首先檢查某塊內存的值是否跟以前我讀取時的同樣，如不同則表示期間此內存值已經被別的線程更改過，捨棄本次操做，不然說明期間沒有其餘線程對此內存值操做，能夠把新值設置給此塊內存。如圖，有兩個線程可能會差很少同時對某內存操做，線程二先讀取某內存值做爲預期值，執行到某處時線程二決定將新值設置到內存塊中，若是線程一在此期間修改了內存塊，則經過CAS便可以檢測出來，假如檢測沒問題則線程二將新值賦予內存塊。

你可能會發現一個疑問，比較和交換，從字面上就有兩個操做了，更別說實際CAS可能會有更多的執行指令，他們是原子性的嗎？若是非原子性又怎麼保證CAS操做期間出現併發帶來的問題？我是否是須要用上節提到的互斥鎖來保證他的原子性操做？CAS確定是具備原子性的，否則就談不上在併發中使用了，但這個原子性是由CPU硬件指令實現保證的，即便用JNI調用native方法調用由C++編寫的硬件級別指令，jdk中提供了Unsafe類執行這些操做。另外，你可能想着CAS是經過互斥鎖來實現原子性的，這樣確實能實現，但用這種方式來保證原子性顯示毫無心義。下面一個僞代碼加深對CAS的理解：

public class AtomicInt {
    private volatile int value; 
    public final int get() {
        return value;
    }
	
	public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
    
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
		Unsafe類提供的硬件級別的compareAndSwapInt方法;
    }
}
複製代碼

其中最重要的方法是getAndIncrement方法，它裏面實現了基於CAS的自旋。 如今已經瞭解樂觀鎖及CAS相關機制，樂觀鎖避免了悲觀鎖獨佔對象的現象，同時也提升了併發性能，但它也有缺點：

1. 觀鎖只能保證一個共享變量的原子操做。如上例子，自旋過程當中只能保證value變量的原子性，這時若是多一個或幾個變量，樂觀鎖將變得力不從心，但互斥鎖能輕易解決，無論對象數量多少及對象顆粒度大小。
2. 長時間自旋可能致使開銷大。假如CAS長時間不成功而一直自旋，會給CPU帶來很大的開銷。
3. ABA問題。CAS的核心思想是經過比對內存值與預期值是否同樣而判斷內存值是否被改過，但這個判斷邏輯不嚴謹，假如內存值原來是A，後來被一條線程改成B，最後又被改爲了A，則CAS認爲此內存值並無發生改變，但其實是有被其餘線程改過的，這種狀況對依賴過程值的情景的運算結果影響很大。解決的思路是引入版本號，每次變量更新都把版本號加一。

樂觀鎖是對悲觀鎖的改進，雖然它也有缺點，但它確實已經成爲提升併發性能的主要手段，並且jdk中的併發包也大量使用基於CAS的樂觀鎖。

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