锁策略、CAS 机制以及 synchronized 优化过程

一、核心锁策略

• 乐观锁 (Optimistic)： “认为没冲突”：先进行操作，只有在提交更新时才去确认是否被其他线程修改过（版本号机制）。如 CAS、AtomicInteger

• 悲观锁 (Pessimistic)：“认为必冲突”：每次操作数据都先加锁，确保独占资源，直到操作完成。如 synchronized 、ReentranLock(true)

• 公平锁 (Fair)：“先来后到”：线程获取锁的顺序严格按照申请的顺序。如 ReentrantLock(true)

• 非公平锁 (Non-Fair)：“谁抢到是谁的”：允许插队，吞吐量高，但可能导致线程饥饿。如：synchronized、ReentrantLock(false)

• 可重入锁 (Reentrant): “自己能锁自己”：同一个线程可以多次获取同一把锁，通过计数器实现。如 synchronized、ReentrantLock

• 读写锁 (Read-Write)：“读共享，写独占”：读操作可以并发，写操作必须互斥。如ReentrantReadWriteLock

二、CAS：无锁并发的基石

CAS (Compare And Swap) 即比较并交换，是 CPU 提供的一条原子指令，也是乐观锁的实现基础。

• 核心原理:

1. 它包含三个操作数 ：V（内存值），A（预期值），B（新值）

2. 逻辑：如果内存值 V 等于预期值 A，则将 V 更新为 B；否则什么都不做。这个“比较+交换”的过程是原子性的。

• ABA问题与解决方案

1. 问题：线程 T1 读取值 A，线程 T2 将 A 改为 B 又改回 A。T1 再次 CAS 时发现还是 A，于是操作成功。虽然值没变，但中间状态已被篡改。

2. 解决方案：引入版本号（Stamp）。每次修改版本号递增，即使值相同，版本号不同也会导致 CAS 失败。Java 提供了 AtomicStampedReference 来解决此问题。

• 应用场景

1. Java 的 Atomic 包（如 AtomicInteger）底层就是基于 CAS 自旋实现的。

2. 并发容器如 ConcurrentHashMap。

三、synchronized 的锁升级与优化过程

synchronized 并不是一开始就是“重量级锁”。为了减少性能损耗，JVM 会根据竞争激烈程度，自动进行锁升级。这个过程是不可逆的（只能升级，不能降级）。

• 偏向锁 (Biased)： “懒汉模式”。它偏向于第一个访问的线程，如果没有竞争，该线程以后每次进入同步块都不需要做任何同步操作。

• 轻量级锁 (Lightweight)： 当有第二个线程竞争时，偏向锁升级。线程在栈中创建锁记录 (Lock Record)，通过 CAS 将对象头指向该记录。如果 CAS 失败，说明有竞争，进入自旋。

• 自旋锁 (Spin)： 轻量级锁的一种优化。线程不立即阻塞，而是循环尝试获取锁（忙等待）。如果持有锁的线程很快释放，自旋线程就能立即获取，避免了阻塞/唤醒的开销。

• 锁膨胀： 如果自旋次数超过阈值（或等待线程过多），JVM 会将轻量级锁膨胀为重量级锁，此时未获取到锁的线程会被挂起。

除了锁升级，JVM 还会在编译期进行以下优化：

• 锁消除 (Lock Elimination)： JIT 编译器通过逃逸分析，如果发现共享变量不会逃逸出当前线程（如方法内的 StringBuffer），就会直接消除 synchronized 关键字，不加锁。

• 锁粗化 (Lock Coarsening)： 如果一系列连续的操作都在对同一个对象加锁（如循环内加锁），JVM 会将锁的范围扩大（粗化），变成一次加锁解锁，减少频繁申请释放锁的开销。