乐观锁,CAS,ABA问题,synchronized锁升级过程

常见的锁策略


乐观锁 vs 悲观锁


乐观锁:乐观锁假设认为数据一般情况下不会产生并发冲突,所以在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据是否产生并发冲突进行检测,如果发现并发冲突了,则返回用户错误的信息,让用户决定如何去做。
悲观锁的问题:总是需要竞争锁,进而导致发生线程切换,挂起其他线程;所以性能不高。

悲观锁:总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。
乐观锁的问题:并不总是能处理所有问题,所以会引入一定的系统复杂度。

读写锁


多线程之间,数据的读取方之间不会产生线程安全问题,但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁,就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。
读写锁(readers-writer lock),看英文可以顾名思义,在执行加锁操作时需要额外表明读写意图,复数读者之间并不互斥,而写者则要求与任何人互斥。

自旋锁(Spin Lock)


在线程在抢锁失败后会进入阻塞状态,放弃 CPU,需要过很久才能再次被调度。但经过测算,实际的生活中,大部分情况下,虽然当前抢锁失败,但过不了很久,锁就会被释放。基于这个事实,自旋锁诞生了。
你可以简单的认为自旋锁就是下面的代码只要没抢到锁,就死等,不断地进行申请锁。

自旋锁的缺点:缺点其实非常明显,就是如果之前的假设(锁很快会被释放)没有满足,则线程其实是光在消耗 CPU 资源,长期在做无用功的。

可重入锁


可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”,即允许同一个线程多次获取同一把锁。比如一个递归函数里有加锁操作,递归过程中这个锁会阻塞自己吗?如果不会,那么这个锁就是可重入锁(因为这个原因可重入锁也叫做递归锁)。
Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁,而且JDK提供的所有现成的Lock实现类,包括synchronized关键字锁都是可重入的。

什么是 CAS


CAS: 全称Compare and swap,字面意思:”比较并交换“, CAS 其实是一个乐观锁。一个 CAS 涉及到以下操作:
我们假设内存中的原数据V,旧的预期值A,需要修改的新值B。

  1. 比较 A 与 V 是否相等。(比较)
  2. 如比较相等,将 B 写入 V。(交换)
  3. 返回操作是否成功。


当多个线程同时对某个资源进行CAS操作,只能有一个线程操作成功,但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。即第二步返回的为false,然后就进入自旋状态,将当前内存的值赋值给A(预期值),在从重复执行上面的步骤。

CAS 是怎么实现的


针对不同的操作系统,JVM 用到了不同的 CAS 实现原理,简单来讲:
java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类(本地类)提供的 CAS 操作;unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg(原子指令);Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作,并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。java中atomic*相关的类都是依靠CAS实现的。比如atomicInteger类atomicLong等。
简而言之,是因为硬件予以了支持,软件层面才能做到。

ABA 问题(乐观锁导致的)


在上面的CAS中,原数据V的值从C变成了D又变成了C,而这个期间我们不清楚这个过程,误认为这个值没有改变。在进行写入的时候,期望值A与原数据V的值相同,就直接进行了写入,返回操作成功。但这是不正确的,举个例子:

比如你的银行卡里有1000块钱,你个朋友要借500,这时你在转账的时候不下心点了两次。二者期间恰好有人给你转了500块。我们用CAS来分析一下这个示例。原数V(1000),旧的预期值A(1000),需要修改的新值B(500),当你操作后你的卡里就只有500了,而第二次误按的就不会操作成功(因为这时的V为500不等于A1000)。而恰好别人给你转账500后你的卡里就又是1000了,而你不小心多按的一次就也会执行成功了。这就是一个ABA问题了。

解决方法:加入版本信息,例如携带 AtomicStampedReference 之类的时间戳作为版本信息,保证不会出现老的值。每次修改的时候判断预期的旧值和版本号,每次成功修改之后更改版本号,这样即使预期的值和V值相等,但因为版本号不同,所以也不能进行改,从而解决了ABA 的问题。AtomicStampedReference类就通过版本号解决了ABA问题。

synchronized 锁


JVM 将 synchronized 锁分为 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁 状态。会根据情况,进行依次升级。

无锁

没有对资源进行锁定,所有的线程都能访问并修改同一个资源,但同时只有一个线程能修改成功,其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

偏向锁

对象的代码一直被同一线程执行,不存在多个线程竞争,该线程在后续的执行中自动获取锁,降低获取锁带来的性能开销。偏向锁,指的就是偏向第一个加锁线程,该线程是不会主动释放偏向锁的,只有当其他线程尝试竞争偏向锁才会被释放。偏向锁的撤销,需要在某个时间点上没有字节码正在执行时,先暂停拥有偏向锁的线程,然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态,并撤销偏向锁;如果线程处于活动状态,升级为轻量级锁的状态。

轻量级锁

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被第二个线程 B 所访问,此时偏向锁就会升级为轻量级锁,线程 B会通过自旋的形式尝试获取锁,线程不会阻塞,从而提高性能。当前只有一个等待线程,则该线程将通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数时,轻量级锁便会升级为重量级锁;当一个线程已持有锁,另一个线程在自旋,而此时又有第三个线程来访时,轻量级锁也会升级为重量级锁。

重量级锁

指当有一个线程获取锁之后,其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。重量级锁通过对象内部的监视器(monitor)实现,而其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock实现,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态切换到内核态,切换成本非常高。

synchronized锁的变化流程图

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