Java中的樂觀鎖——無鎖策略

題主在閱讀《實戰Java高併發程序設計》一書時，瞭解到了Java無鎖的相關概念，在此記錄下來以加深對其的理解，Java中的鎖分爲兩種即爲悲觀鎖和樂觀鎖，那麼何爲悲觀鎖和樂觀鎖呢？ 點擊查看原文

樂觀鎖與悲觀鎖

悲觀鎖是咱們代碼常常用到的，好比說Java中的synchronized和ReentrantLock等獨佔鎖就是悲觀鎖思想的實現，它老是假設別的線程在拿數據的時候都會修改數據，因此在每次拿到數據的時候都會上鎖，這樣別的線程想拿這個數據就會被阻塞直到它拿到鎖。
樂觀鎖與之相反，它老是假設別的線程取數據的時候不會修改數據，因此不會上鎖，可是會在更新的時候判斷有沒有更新過數據。也就是，樂觀鎖（無鎖）使用一種比較交換的技術（CAS Compare And Swap）來鑑別線程衝突，一旦檢測到衝突的產生，就重試當前操做直到沒有衝突的產生。
與鎖相比，使用比較交換（CAS）會使代碼看起來更加複雜一些。但因爲其非阻塞性，它對死鎖問題天生免疫，而且線程之間的相互影響也遠遠比基於鎖的方式要小。更爲重要的是，使用無鎖的方式徹底沒有鎖競爭帶來的系統開銷，也沒有線程之間頻繁調度帶來的開銷，所以，它要比基於鎖的方式擁有更優越的性能。

樂觀鎖實現

樂視鎖的實現之一就是CAS算法，CAS算法的過程大體是這樣的：它包含三個參數CAS(V, E, N)。

• V表示要更新的變量
• E表示預期值
• N表示新值 僅當V等於E的時候，纔會把V的值設置成N，不然不會執行任何操做（比較和替換是一個原子操做）。若是V值和E值不相等，則說明有其餘線程修改過V值，當前線程什麼都不作，最後返回當前V的真實值。CAS操做是抱着樂觀的態度進行的，它老是認爲本身能夠成功的完成操做。當多個線程同時使用CAS操做一個變量時，只有一個會成功更新，其他都會失敗。失敗的線程不會被掛起，僅是被告知失敗，而且容許再次嘗試，固然也容許失敗的線程放棄操做。

樂觀鎖在JDK中的應用

在java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了CAS來實現的，下面咱們重點看一下CAS在該包下面的AtomicInteger類實際應用，該類提供下面幾個核心方法和屬性：

• public final int incrementAndGet() // 當前值加1，返回舊值
• public final int decrementAndGet() // 當前值減1，返回舊值
• public volatile int value // AtomicInteger對象當前實際取值

incrementAndGet()和decrementAndGet()方法相似，咱們只看一下incrementAndGet方法就好，JDK1.7與JDK1.8在實現incrementAndGet()方法有所區別（Java8中CAS的加強），下面給出的是在java8中的實現，能夠看到incrementAndGet()實際調用的是sun.misc.Unsafe.getAndAddInt方法，Unsafe類能夠理解爲Java中指針，可是咱們不能夠直接使用，由於它是由Bootstrap類加載器加載，而非AppLoader加載。

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;  // 
}
複製代碼

代碼中的valueOffset表明value字段在AtomicInteger對象中的偏移量（到對象頭部的偏移量），方便快速定位字段。

public final int getAndAddInt(Object obj, long l, int i)
{
    int j;
    do
        j = getIntVolatile(obj, l);
    while(!compareAndSwapInt(obj, l, j, j + i));
    return j;
}
複製代碼

傳入getAndAddInt方法的參數分別是obj(AtomicInteger對象)、l(對象內偏移量)、i(增長值)，能夠看到getAndAddInt實際是一個循環，只有compareAndSwapInt返回true時，循環才能結束，並返回j(舊值)，下面是compareAndSwapInt方法簽名，其中前面兩個參數和傳入getAndAddInt方法參數一致，後面expected的值是經過getIntVolatile獲取的舊值，x是但願設置的新值。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expected, int x);
複製代碼

與compareAndSwapInt方法相似，getIntVolatile()內部也是用原子操做獲取AtomicInteger對象的value值，下面是該方法的簽名

public native int getIntVolatile(Object obj, long l);
複製代碼

CAS在JDK源碼中應用普遍，下面給出其他的無鎖的類：

• AtomicReference 無鎖的對象引用
• AtomicStampedReference 帶有標誌的對象引用
• AtomicIntegerArray 無鎖的數組
• AtomicIntegerFieldUpdater 無鎖的普通變量

樂觀鎖的問題

ABA問題
若是一個變量V初次讀取是A值，而且在準備賦值的時候也是A值，那就能說明A值沒有被修改過嗎？實際上是不能的，由於變量V可能被其餘線程改回A值，結果就是會致使CAS操做誤認爲歷來沒被修改過，從而賦值給V。 JDK 1.5之後提供了上文所說的AtomicStampedReference類來解決了這個問題，其中compareAndSet方法會首先檢查當前引用是否等於預期引用，其次檢查當前標誌是否等於預期標誌，若是都相等就會以原子的方式將引用和標誌都設置爲新值。

自旋時間長
CAS自旋就是上文說的getAndAddInt()方法內部do-while循環，若是compareAndSwapInt一直未設置成功，do-while一直循環下去，會給CPU帶來很是大的執行開銷。網上給出執行方法以下，unchecked（還沒試過~）

若是JVM能支持處理器提供的pause指令那麼效率會有必定的提高，pause指令有兩個做用，第一它能夠延遲流水線執行指令（de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它能夠避免在退出循環的時候因內存順序衝突（memory order violation）而引發CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提升CPU的執行效率。

只能保證單個共享變量
CAS操做只對單個共享變量有用，涉及多個變量時沒法使用CAS，一樣在JDK 1.5以後，提供了AtomicReference對象引用，能夠多個變量放到一個AtomicReference對象裏。

使用場景

簡單的來講CAS適用於寫比較少的狀況下（多讀場景，衝突通常較少），synchronized適用於寫比較多的狀況下（多寫場景，衝突通常較多）

參考文檔

• 實戰Java高併發程序設計
• 樂觀鎖與悲觀鎖
• Java8中CAS的加強