淺談 Java 并發(fā)下的樂觀鎖
引子
各位少俠大家好！今天我們來聊聊 Java 并發(fā)下的樂觀鎖。
在聊樂觀鎖之前，先給大家復(fù)習(xí)一個(gè)概念：原子操作：
什么是原子操作呢？
我們知道，原子（atom）指化學(xué)反應(yīng)不可再分的基本微粒。在 Java 多線程編程中，所謂原子操作，就是即使命令涉及多個(gè)操作，這些操作依次執(zhí)行，不會(huì)被別的線程插隊(duì)打斷。
聊完原子操作了，我們進(jìn)入正題。
大家都知道，一般而言，由于多線程并發(fā)會(huì)導(dǎo)致安全問題，針對(duì)變量的讀和寫操作，都會(huì)采用鎖的機(jī)制。鎖一般會(huì)分為樂觀鎖和悲觀鎖兩種。
悲觀鎖
對(duì)于悲觀鎖，開發(fā)者認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)發(fā)生并發(fā)沖突的概率很大，所以每次進(jìn)行讀操作前都會(huì)上鎖。
樂觀鎖
對(duì)于樂觀鎖，開發(fā)者認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)發(fā)生并發(fā)沖突的概率不大，所以讀操作前不上鎖。
到了寫操作時(shí)才會(huì)進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)在此期間是否被其他線程修改。如果發(fā)生修改，那就返回寫入失敗；如果沒有被修改，那就執(zhí)行修改操作，返回修改成功。
樂觀鎖一般都采用 Compare And Swap（CAS）算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。顧名思義，該算法涉及到了兩個(gè)操作，比較（Compare）和交換（Swap）。
CAS 算法的思路如下：
該算法認(rèn)為不同線程對(duì)變量的操作時(shí)產(chǎn)生競(jìng)爭的情況比較少。
該算法的核心是對(duì)當(dāng)前讀取變量值 E 和內(nèi)存中的變量舊值 V 進(jìn)行比較。
如果相等，就代表其他線程沒有對(duì)該變量進(jìn)行修改，就將變量值更新為新值 N。
如果不等，就認(rèn)為在讀取值 E 到比較階段，有其他線程對(duì)變量進(jìn)行過修改，不進(jìn)行任何操作。
當(dāng)線程運(yùn)行 CAS 算法時(shí)，該運(yùn)行過程是原子操作，也就是說，Compare And Swap 這個(gè)過程雖然涉及邏輯比較繁冗，但具體操作一氣呵成。
Java中 CAS 的底層實(shí)現(xiàn)
Java 中的 Unsafe 類
我先問大家一個(gè)問題：
什么是指針？
針對(duì)學(xué)過 C、C++ 語言的同學(xué)想必都不陌生。說白了，指針就是內(nèi)存地址，指針變量也就是用來存放內(nèi)存地址的變量。
但對(duì)于指針這個(gè)東西的使用，有利有弊。有利的地方在于如果我們有了內(nèi)存的偏移量，換句話說有了數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置坐標(biāo)，就可以直接針對(duì)內(nèi)存的變量操作；
弊端就在于指針是語言中功能強(qiáng)大的組件，如果一個(gè)新手在編程時(shí)，沒有考慮指針的安全性，錯(cuò)誤的操作指針把某塊不該修改的內(nèi)存值修改，容易導(dǎo)致整個(gè)程序崩潰。
對(duì)于 Java 語言，沒有直接的指針組件，一般也不能使用偏移量對(duì)某塊內(nèi)存進(jìn)行操作。這些操作相對(duì)來講是安全（safe）的。
但其實(shí) Java 有個(gè)類叫 Unsafe 類，這個(gè)類類使 Java 擁有了像 C 語言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，同時(shí)也帶來了指針的問題。這個(gè)類可以說是 Java 并發(fā)開發(fā)的基礎(chǔ)。
Unsafe 類中的 CAS
一般而言，大家接觸到的 CAS 函數(shù)都是 Unsafe 類提供的封裝。下面就是一些 CAS 函數(shù)。
public final native boolean compareAndSwapObject(
Object paramObject1,
long paramLong,
Object paramObject2,
Object paramObject3);
public final native boolean compareAndSwapInt(
Object paramObject,
long paramLong,
int paramInt1,
int paramInt2);
public final native boolean compareAndSwapLong(
Object paramObject,
long paramLong1,
long paramLong2,
long paramLong3);
這就是 Unsafe 包下提供的 CAS 更新對(duì)象、CAS 更新 int 型變量、CAS 更新 long 型變量三個(gè)函數(shù)。
我們以最好理解的 compareAndSwapInt 為例，來看一下吧：
public final native boolean compareAndSwapInt(
Object paramObject,
long paramLong,
int paramInt1,
int paramInt2);
可以看到，該函數(shù)有四個(gè)參數(shù)：
第一個(gè)是目標(biāo)對(duì)象
第二個(gè)參數(shù)用來表示我們上文講的指針，這里是一個(gè) long 類型的數(shù)值，表示該成員變量在其對(duì)應(yīng)對(duì)象屬性的偏移量。換句話說，函數(shù)就可以利用這個(gè)參數(shù)，找到變量在內(nèi)存的具體位置，從而進(jìn)行 CAS 操作
第三個(gè)參數(shù)就是預(yù)期的舊值，也就是示例中的 V。
第四個(gè)參數(shù)就是修改出的新值，也就是示例中的 N。
有同學(xué)會(huì)問了，Java 中只有整型的 CAS 函數(shù)嗎？有沒有針對(duì) double 型和 boolean 型的 CAS 函數(shù)？
很可惜的是， Java 中 CAS 操作和 UnSafe 類沒有提供對(duì)于 double 型和 boolean 型數(shù)據(jù)的操作方法。但我們可以利用現(xiàn)有方法進(jìn)行包裝，自制 double 型和 boolean 型數(shù)據(jù)的操作方法。
對(duì)于 boolean 類型，我們可以在入?yún)⒌臅r(shí)候?qū)?boolean 類型轉(zhuǎn)為 int 類型，在返回值的時(shí)候，將 int 類型轉(zhuǎn)為 boolean 類型。
對(duì)于 double 類型，則依賴 long 類型了， double 類型提供了一種 double 類型和 long 類型互轉(zhuǎn)的函數(shù)。
public static native double longBitsToDouble(
long bits);
public static native long doubleToRawLongBits(
double value);
大家都知道，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型在底層的存儲(chǔ)方式都是bit類型。因此無論是long類型還是double類型在計(jì)算機(jī)底層存儲(chǔ)方式都是比特。所以就很好理解這兩個(gè)函數(shù)了：
longBitsToDouble 函數(shù)將 long 類型底層的實(shí)際二進(jìn)制存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用 double 類型強(qiáng)行翻譯出來
doubleToRawLongBits 函數(shù)將 double 類型底層的實(shí)際二進(jìn)制存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用 long 類型強(qiáng)行翻譯出來
CAS 在 Java 中的使用
一個(gè)比較常見的操作，使用變量 i 來為程序計(jì)數(shù)，可以對(duì) i 自增來實(shí)現(xiàn)。
int i=0;
i++;
但稍有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)都知道這種寫法是線程不安全的。
如果 500 個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一次 i++，得到 i 的結(jié)果不一定為 500，可能會(huì)比 500 小。
這是因?yàn)?i++ 其實(shí)并不只是一行命令，它涉及以下幾個(gè)操作：（以下代碼為 Java 代碼編譯后的字節(jié)碼）
getfield #從內(nèi)存中獲取變量 i 的值
iadd #將 count 加 1
putfield #將加 1 后的結(jié)果賦值給 i 變量
可以看到，簡簡單單一個(gè)自增操作涉及這三個(gè)命令，而且這些命令并不是一氣呵成的，在多線程情況下很容易被別的線程打斷。
雖然兩個(gè)線程都進(jìn)行了 i++ 的操作，i 的值本應(yīng)是 2，但是按上圖的流程來說，i 的值就變?yōu)?1 了
如果需要執(zhí)行我們想要的操作，代碼可以這樣改寫。
int i=0;
synchronized{
i++;
}
我們知道，通過 synchronized 關(guān)鍵字修飾時(shí)代價(jià)很大，Java 提供了一個(gè) atomic 類，如果變量 i 被聲明為 atomic 類，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，就不會(huì)有之前所說的問題了，而且相較 synchronized 代價(jià)較小。
AtomicInteger i= new AtomicInteger(0);
i.getAndIncrement();
Java 的 Atomic 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型類還提供
AtomicInteger針對(duì) int 類型的原子操作AtomicLong針對(duì) long 類型的原子操作AtomicBoolean針對(duì) boolean 類型的原子操作
Atomic基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型支持的方法如下圖所示：
getCurrentValue：獲取該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的當(dāng)前值。setValue：設(shè)置當(dāng)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的值為目標(biāo)值。getAndSet：獲取該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的當(dāng)前值并設(shè)置當(dāng)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的值為目標(biāo)值。getAndIncrement：獲取該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的當(dāng)前值并自增 1，類似于 i++。getAndDecrement：獲取該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的當(dāng)前值并自減 1，類似于 i--。getAndAdd：獲取該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的當(dāng)前值并自增給定參數(shù)的值。IncrementAndGet：自增 1 并獲取增加后的該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的值，類似于 ++i。decrementAndGet：自減 1 并獲取增加后的該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的值，類似于 --i。AddAndGet：自增給定參數(shù)的值并獲取該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型自增后的值。
這些基本數(shù)據(jù)類型的函數(shù)底層實(shí)現(xiàn)都有 CAS 的身影。
我們來拿最簡單的 AtomicInteger 的 getAndIncrement 函數(shù)舉例吧：（源碼來源 JDK 7 ）
volatile int value;
···
public final int getAndIncrement(){
for(;;){
int current = get();
int next= current + 1;
if(compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
這就類似之前的 i++ 自增操作，這里的 compareAndSet 其實(shí)就是封裝了 Unsafe 類的一個(gè) native 函數(shù)：
public final compareAndSet(int expect, undate){
return unsafe.compareAndSwapInt
(this, valueOffset, expect, update);
}
也就回到了我們剛剛講述的 unsafe 包下的 compareAndSwapInt 函數(shù)了。
自旋
除了 CAS 之外，Atomic 類還采用了一種方式優(yōu)化拿到鎖的過程。
我們知道，當(dāng)一個(gè)線程拿不到對(duì)應(yīng)的鎖的時(shí)候，可以有兩種策略：
策略 1：放棄獲得 CPU ，將線程置于阻塞狀態(tài)，等待后續(xù)被操作系統(tǒng)喚醒和調(diào)度。
當(dāng)然這么做的弊端很明顯，這種狀態(tài)的切換涉及到了用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，開銷一般比較大，如果線程很快就把占用的鎖釋放了，這么做顯然是不合算的。
策略 2：不放棄 CPU ，不停的重試，這種操作也稱為自旋。
當(dāng)然這么做也有弊端，如果某個(gè)線程持有鎖的時(shí)間過長，就會(huì)導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程一直在毫無意義的消耗 CPU 資源。使用不當(dāng)會(huì)造成 CPU 使用率極高。在這種情況下，策略 1 更合理一些。
我們前文中所說的 AtomicInteger，AtomicLong 在執(zhí)行相關(guān)操作的時(shí)候就采取策略 2。一般這種策略也被稱為自旋鎖。
可以看到在 AtomicInteger 的 getAndIncrement 函數(shù)中，函數(shù)外包了一個(gè)
for(;;)
其實(shí)就是一個(gè)不斷重試的死循環(huán)，也就是這里說的自旋。
但現(xiàn)在大多采取的策略是開發(fā)者設(shè)置一個(gè)門限值，在門限值內(nèi)進(jìn)行不斷地自旋。
如果自旋失敗次數(shù)超過門限值了，那就采取進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
ABA 問題與 AtomicMarkable
CAS 算法本身有一個(gè)很大的缺陷，那就是 ABA 問題。
我們可以看到， CAS 算法是基于值來做比較的，如果當(dāng)前有兩個(gè)線程，一個(gè)線程將變量值從 A 改為 B ，再由 B 改回為 A ，當(dāng)前線程開始執(zhí)行 CAS 算法時(shí)，就很容易認(rèn)為值沒有變化，誤認(rèn)為讀取數(shù)據(jù)到執(zhí)行 CAS 算法的期間，沒有線程修改過數(shù)據(jù)。
咋一看好像這個(gè)缺陷不會(huì)引發(fā)什么問題，實(shí)則不然，給大家舉個(gè)例子吧。
假設(shè)小艾銀行卡有 100 塊錢余額，且假定銀行轉(zhuǎn)賬操作就是一個(gè)單純的 CAS 命令，對(duì)比余額舊值是否與當(dāng)前值相同，如果相同則發(fā)生扣減/增加，我們將這個(gè)指令用
CAS(origin,expect)表示。于是，我們看看接下來發(fā)生了什么：
小明欠小艾100塊錢，小艾欠小牛100塊錢， 小艾在 ATM 1號(hào)機(jī)上打算 轉(zhuǎn)賬 100 塊錢給小牛；假設(shè)銀行轉(zhuǎn)賬底層是用CAS算法實(shí)現(xiàn)的。由于ATM 1號(hào)機(jī)突然卡了，這時(shí)候小艾跑到旁邊的 ATM 2號(hào)機(jī)再次操作轉(zhuǎn)賬； ATM 2號(hào)機(jī)執(zhí)行了 CAS(100,0)，順順利利地完成了轉(zhuǎn)賬，此時(shí)小艾的賬戶余額為 0； 小明這時(shí)候又給小艾賬上轉(zhuǎn)了 100，此時(shí)小艾賬上余額為 100； 這時(shí)候 ATM 1 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，繼續(xù)執(zhí)行 CAS(100,0)，居然執(zhí)行成功了，小艾賬戶上余額又變?yōu)榱?0；
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp)
expectedReference 指的是變量預(yù)期的舊值， newReference 指的是變量需要更改成的新值， expectedStamp 指的是版本號(hào)的舊值， newStamp 指的是版本號(hào)新值。
AtomicStampedReference
AtomicStampedReference ，該類封裝了帶版本號(hào)比較的 CAS 函數(shù)，一起來看看吧。AtomicStampedReference 定義在 java.util.concurrent.atomic 包下。
attemptStamp：如果expectReference和目前值一致，設(shè)置當(dāng)前對(duì)象的版本號(hào)戳為newStampcompareAndSet：該方法就是前文所述的帶版本號(hào)的 CAS 方法。get：該方法返回當(dāng)前對(duì)象值和當(dāng)前對(duì)象的版本號(hào)戳getReference：該方法返回當(dāng)前對(duì)象值getStamp：該方法返回當(dāng)前對(duì)象的版本號(hào)戳set：直接設(shè)置當(dāng)前對(duì)象值和對(duì)象的版本號(hào)戳
Java并發(fā)實(shí)現(xiàn)原理：JDK源碼剖析 https://mp.weixin.qq.com/s/Ad6ufmGSEiQpL38YrvO4mw https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/atomic/AtomicStampedReference.html https://zhang0peter.blog.csdn.net/article/details/84020496?utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-searchFromBaidu-1.control&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-searchFromBaidu-1.control https://mp.weixin.qq.com/s/kvuPxn-vc8dke093XSE5IQ
有道無術(shù)，術(shù)可成；有術(shù)無道，止于術(shù)
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