乐观锁的实现机制--CAS（Compare And Set）

众所周知锁有两种：乐观锁与悲观锁。

         独占锁是一种悲观锁，而 synchronized 就是一种独占锁，synchronized 会导致其它所有未持有锁的线程阻塞，而等待持有锁的线程释放锁。 

         所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。而乐观锁用到的机制就是CAS。

 下面以一组漫画来全面讲解CAS，转载来自于微信公众号：“程序员小灰”

 

 

 

—————  第二天  —————

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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示例程序：启动两个线程，每个线程中让静态变量count循环累加100次。

 

最终输出的count结果是什么呢？一定会是200吗？

 

 

 

 

加了同步锁之后，count自增的操作变成了原子性操作，所以最终的输出一定是count=200，代码实现了线程安全。

 

 

 

为什么这么说呢？关键在于性能问题。

      Synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态，而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态，这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换，代价比较高。

     尽管Java1.6为Synchronized做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低。

 

jdk1.6以后 对synchronized锁做了哪些优化

1.适应自旋锁

   自旋锁：为了减少线程状态改变带来的消耗 不停地执行当前线程 

2.锁消除：

  不可能存在共享数据竞争的锁进行消除

3.锁粗化：

  将连续的加锁 精简到只加一次锁

4.轻量级锁：

 无竞争条件下 通过CAS消除同步互斥

5.偏向锁：

无竞争条件下 消除整个同步互斥，连CAS都不操作。

 

 

 

 

所谓原子操作类，指的是java.util.concurrent.atomic包下，一系列以Atomic开头的包装类。例如AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong。它们分别用于Boolean，Integer，Long类型的原子性操作。

现在我们尝试在代码中引入AtomicInteger类：

 使用AtomicInteger之后，最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下，代码的性能会比Synchronized更好。

 

 

 

 

 

什么是CAS？

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

这样说或许有些抽象，我们来看一个例子：

1.在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

 

2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11。

 

3.在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

 

4.线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较（Compare），发现A不等于V的实际值，提交失败。

 

5.线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

 

6.这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。

 

 

7.线程1进行SWAP，把地址V的值替换为B，也就是12。

 

 

       从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。

 

 

 

 

 

 

 

 

CAS的缺点：

1.CPU开销较大

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。

2.不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。

     因为它本身就只是一个锁住总线的原子交换操作啊。两个CAS操作之间并不能保证没有重入现象。

3.ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。

 什么是ABA问题？怎么解决？我们下一期来详细介绍。