Java多线程——5 阻塞型同步、非阻塞型同步和Lock-Free

最新推荐文章于 2025-10-12 22:15:53 发布

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#Java #多线程 #阻塞非阻塞 #同步异步 #Lock-Free

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本文探讨了并发编程中Lock与CAS的选择与应用。详细对比了两种方式在不同场景下的性能表现，并通过Java代码示例介绍了如何使用CAS实现无锁算法。

关于多线程并发，该采用Lock还是Free，其实这都是各有弊端的。

相比于Lock，CAS 原语在轻度和中度争用情况下确实可以大幅度提高程序性能。

但CAS的弊端同时也在限制，CAS 的原子性完全取决于硬件实现。大多数 Intel 和 AMD 的 CPU 采用了一种叫做 MOSEI 缓存一致性协议来管理缓存。这种架构下，处理器缓存内 CAS 操作相对成本低廉。但一旦资源争用，就会引起缓存失效和总线占用。缓存越失效，总线越被占用，完成 CAS 操作也越被延迟。缓存争用是程序可伸缩性杀手。当然对于非 CAS 内存操作来说也是如此，但 CAS 情况更加槽糕。同时CAS 操作要比普通内存操作花费更多 CPU 周期。这归功于缓存分级的额外负担、刷新写缓冲区与穿越内存栅栏限制和需求以及编译器对 CAS 操作优化的能力。

CAS这是由硬件提供原子操作指令实现的。在非激烈竞争的情况下，开销更小，速度更快。java.util.concurrent中实现的原子操作类包括：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference

看一下Java的Lock-Free算法

采用synchronized关键字实现

class Counter
{
	private volatile int max = 0;
	//若要线程安全，需要加锁
	public synchronized void set(int value)
	{
		if (value > max)
		{
			max = value;
		}
	}
	public int getMax()
	{
		return max;
	}
}

采用CAS原子指令实现

class Counter
{
	private AtomicInteger max = new AtomicInteger();

	// LockFree算法，不需要加锁。通常都是三个部分组成：① 循环 ② CAS (CompareAndSet) ③ 回退
	public void set(int value)
	{
		for (;;)
		{
			int current = max.get();
			if (value > current)
			{
				if (max.compareAndSet(current, value))
				{
					break;
				} else
				{
					continue;
				}
			} else
			{
				break;
			}
		}
	}

	public int getMax()
	{
		return max.get();
	}
}

进一步使用Lock-Free数据结构

class BeanManager
{
	/*
	 * ConcurrentHashMap并没有实现Lock-Free，只是使用了
	 * 分离锁(锁由数据结构来管理)的办 法使得能够支持多个Writer并发。
	 * ConcurrentHashMap需要使用更 多的内存。
	 */
	private ConcurrentMap<String, Object> map = new ConcurrentHashMap<String, Object>();

	public Object getBean(String key)
	{
		Object bean = map.get(key);
		if (bean == null)
		{
			map.putIfAbsent(key, createBean());
			bean = map.get(key);
		}
		return bean;
	}

	private Object createBean()
	{
		return new Integer((int) Math.random() * 1000);
	}
}

ConcurrentHashMap功能规范和HashTable一样，关于ConcurrentHashMap的详细介绍

http://hill007299.iteye.com/blog/1490779

锁的使用
① 使用支持CAS的数据结构，避免使用锁，如：AtomicXXX、ConcurrentMap、CopyOnWriteList、ConcurrentLinkedQueue
② 一定要使用锁的时候，注意获得锁的顺序，相反顺序获得锁，就容易产生死锁。
③ 死锁经常是无法完全避免的，鸵鸟策略被很多基础框架所采用。
④ 通过Dump线程的StackTrace，例如linux下执行命令kill -3 <pid>，或者jstack –l <pid>，或者使用Jconsole连接上去查看线程的StackTrace，由此来诊断死锁问题。
⑤ 外部锁常被忽视而导致死锁，例如数据库的锁
⑥ 存在检测死锁的办法
⑦ 存在一些预防死锁的手段，比如Lock的tryLock，JDK 7中引入的Phaser等。

对于CAS，同样的思路用于更新数据库-乐观锁，先比与悲观锁不需要使用锁，从而开销更小，速度更快。在这里对于乐观锁和悲观锁就不多讲了