乐观的并发策略——基于CAS的自旋

乐观的并发策略——基于CAS的自旋

 

悲观者与乐观者的做事方式完全不一样，悲观者的人生观是一件事情我必须要百分之百完全控制才会去做，否则就认为这件事情一定会出问题；而乐观者的人生观则相反，凡事不管最终结果如何，他都会先尝试去做，大不了最后不成功。这就是悲观锁与乐观锁的区别，悲观锁会把整个对象加锁占为自有后才去做操作，乐观锁不获取锁直接做操作，然后通过一定检测手段决定是否更新数据。这一节将对乐观锁进行深入探讨。

上节讨论的Synchronized互斥锁属于悲观锁，它有一个明显的缺点，它不管数据存不存在竞争都加锁，随着并发量增加，且如果锁的时间比较长，其性能开销将会变得很大。有没有办法解决这个问题？答案是基于冲突检测的乐观锁。这种模式下，已经没有所谓的锁概念了，每条线程都直接先去执行操作，计算完成后检测是否与其他线程存在共享数据竞争，如果没有则让此操作成功，如果存在共享数据竞争则可能不断地重新执行操作和检测，直到成功为止，可叫CAS自旋。

乐观锁的核心算法是CAS（Compareand Swap，比较并交换），它涉及到三个操作数：内存值、预期值、新值。当且仅当预期值和内存值相等时才将内存值修改为新值。这样处理的逻辑是，首先检查某块内存的值是否跟之前我读取时的一样，如不一样则表示期间此内存值已经被别的线程更改过，舍弃本次操作，否则说明期间没有其他线程对此内存值操作，可以把新值设置给此块内存。如图2-5-4-1，有两个线程可能会差不多同时对某内存操作，线程二先读取某内存值作为预期值，执行到某处时线程二决定将新值设置到内存块中，如果线程一在此期间修改了内存块，则通过CAS即可以检测出来，假如检测没问题则线程二将新值赋予内存块。

图2-5-4-1

假如你足够细心你可能会发现一个疑问，比较和交换，从字面上就有两个操作了，更别说实际CAS可能会有更多的执行指令，他们是原子性的吗？如果非原子性又怎么保证CAS操作期间出现并发带来的问题？我是不是需要用上节提到的互斥锁来保证他的原子性操作？CAS肯定是具有原子性的，不然就谈不上在并发中使用了，但这个原子性是由CPU硬件指令实现保证的，即使用JNI调用native方法调用由C++编写的硬件级别指令，jdk中提供了Unsafe类执行这些操作。另外，你可能想着CAS是通过互斥锁来实现原子性的，这样确实能实现，但用这种方式来保证原子性显示毫无意义。下面一个伪代码加深对CAS的理解：

public class AtomicInt {

   private volatile int value;

   public final int get() {

       return value;

    }

 

publicfinal 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类提供的硬件级别的compareAndSwapInt方法;

    }

}

其中最重要的方法是getAndIncrement方法，它里面实现了基于CAS的自旋。

现在已经了解乐观锁及CAS相关机制，乐观锁避免了悲观锁独占对象的现象，同时也提高了并发性能，但它也有缺点：

①  观锁只能保证一个共享变量的原子操作。如上例子，自旋过程中只能保证value变量的原子性，这时如果多一个或几个变量，乐观锁将变得力不从心，但互斥锁能轻易解决，不管对象数量多少及对象颗粒度大小。

②  长时间自旋可能导致开销大。假如CAS长时间不成功而一直自旋，会给CPU带来很大的开销。

③  ABA问题。CAS的核心思想是通过比对内存值与预期值是否一样而判断内存值是否被改过，但这个判断逻辑不严谨，假如内存值原来是A，后来被一条线程改为B，最后又被改成了A，则CAS认为此内存值并没有发生改变，但实际上是有被其他线程改过的，这种情况对依赖过程值的情景的运算结果影响很大。解决的思路是引入版本号，每次变量更新都把版本号加一。

乐观锁是对悲观锁的改进，虽然它也有缺点，但它确实已经成为提高并发性能的主要手段，而且jdk中的并发包也大量使用基于CAS的乐观锁。