關(guān)于CAS操作

CAS：Compare?And?Swap? ?--? 樂觀鎖策略

CAS（無鎖操作）：使用CAS叫做比較交換來判斷是否出現(xiàn)沖突，出現(xiàn)沖突就重試當(dāng)前操作直到不沖突為止。

悲觀鎖（JDK1.6之前的內(nèi)建鎖）：假設(shè)每一次執(zhí)行同步代碼塊均會(huì)產(chǎn)生沖突，所以當(dāng)線程獲取鎖成功，會(huì)阻塞其他嘗試獲取該鎖的線程。

樂觀鎖（Lock機(jī)制）：假設(shè)所有線程訪問共享資源時(shí)不會(huì)出現(xiàn)沖突，既然不會(huì)出現(xiàn)沖突自然就不會(huì)阻塞其他線程。線程不會(huì)出現(xiàn)阻塞狀態(tài)。

1.1 CAS的操作過程

CAS的操作過程和（V，O，N）三個(gè)值有關(guān)

?	? ? ? ? ? ? ? V	? ? ? ? ? ? ? O	? ? ? ? ? ? ? ?N
具體含義	內(nèi)存中地址存放的實(shí)際值	預(yù)期值（舊值）	更新后的值

下面就介紹一下操作的具體過程：

CAS在最開始的時(shí)候V和O的是相等的，N中的每次線程要進(jìn)行CAS操作時(shí)要新放入的值。當(dāng)要進(jìn)行CAS操作時(shí)，要先判斷一下V和O，若相等，說明沒有V中的值還沒有被其他線程更改，這時(shí)就可以將N中的值替換到V中。若不相等表明N中的值已經(jīng)被其他的線程所更改，這時(shí)直接將N中的值返回即可；

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行CAS操作時(shí)，只有一個(gè)線程會(huì)成功，并且更新V的值，其余的線程會(huì)失敗。失敗后可以選擇不斷的進(jìn)行CAS操作，也可以直接掛起進(jìn)行等待；

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CAS操作與內(nèi)建鎖的對(duì)比：

元老級(jí)的內(nèi)建鎖（synchronized）	當(dāng)存在線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下會(huì)出現(xiàn)線程阻塞以及喚醒帶來的性能問題，對(duì)應(yīng)互斥同步（阻塞同步），效率很低。
CAS操作	并不會(huì)直接掛起線程，會(huì)嘗試若干次CAS操作，并非進(jìn)行耗時(shí)的掛起與喚醒操作，因此非阻塞式同步。

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1.2 引入CAS所造成的問題

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1.2.1 ?關(guān)于ABA問題，如下圖所示

解決思路：沿用數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖機(jī)制，添加版本號(hào) 1A-2B-3A

JDK1.5提供atomic包下AtomicStampedReference類來解決CAS的ABA問題

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1.2.2 自旋（CAS）會(huì)浪費(fèi)大量的處理器資源（CPU） 簡(jiǎn)單來說就是太耗費(fèi)時(shí)間

自旋與阻塞：舉個(gè)栗子來說，當(dāng)你開車到了一個(gè)十字路口時(shí)，這時(shí)發(fā)現(xiàn)亮的是紅燈，那么這時(shí)的你就有兩種選擇，要么將車子直接熄火等待，要么踩住剎車等待；而這時(shí)的熄火和剎車就相當(dāng)于阻塞和自旋，那么我們?cè)撊绾稳ミx擇使用哪種處理方法呢？當(dāng)又回到剛才的栗子，當(dāng)你到達(dá)十字路口時(shí)發(fā)現(xiàn)，額的神呀，今天的紅燈的等待時(shí)間竟然有半個(gè)小時(shí)，這時(shí)你二話不說將車子熄火，自己蒙頭大睡來等待紅燈；但是當(dāng)你發(fā)現(xiàn)紅燈只有10秒鐘時(shí)，你就會(huì)選擇踩住剎車來等待紅燈；你這里的處理機(jī)制就是在不同的情況下，哪種方法使得車子耗油最少就選擇哪個(gè)方法。又回到主題上，所以不能說自旋就一定會(huì)比阻塞的性能好。

為了解決這個(gè)問題，CPU就采取了一種處理機(jī)制：自適應(yīng)自旋（根據(jù)以往自旋等待時(shí)能否獲取到鎖，來動(dòng)態(tài)調(diào)整自旋的時(shí)間（循環(huán)嘗試數(shù)量））

自適應(yīng)自旋和出現(xiàn)其實(shí)也是與現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)的，再次回到上個(gè)栗子中，如果之前不熄火等到了綠燈，那么這次不熄火的時(shí)間就長(zhǎng)一點(diǎn)，多等會(huì)也沒事；如果之前不熄火沒等待綠燈， 那么這次不熄火的時(shí)間就短一點(diǎn)。自適應(yīng)自旋也是如此，如果在上一次自旋時(shí)獲取到鎖，則此次自旋時(shí)間稍微變長(zhǎng)一點(diǎn)；如果在上一次自旋結(jié)束還沒有獲取到鎖，此次自旋時(shí)間稍微短一點(diǎn)。

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1.2.3 關(guān)于公平性

公平性就可以這樣理解：

公平模式	比如一個(gè)鎖被很多線程等待是時(shí)，鎖會(huì)選擇等待時(shí)間最長(zhǎng)的線程訪問它的臨界資源，可以和隊(duì)列類比一下理解為先到先得原則（lock鎖）它就是公平的。
非公平模式	而當(dāng)一個(gè)鎖是可以被后來的線程搶占時(shí)，它就是非公平性的，比如內(nèi)建鎖（饑餓問題：由于訪問權(quán)限總是分配給了其他線程，而造成一個(gè)或多個(gè)線程被餓死的現(xiàn)象）。

自旋也是一種不公平的模式：處于阻塞狀態(tài)的線程無法立刻競(jìng)爭(zhēng)被釋放的鎖；而處于自旋狀態(tài)的線程很有可能先獲取到鎖。

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2.Java對(duì)象頭（包括標(biāo)記字段和類型指針）

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2.1.1 關(guān)于Mark Word

Mark Word(標(biāo)記字段)：用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)對(duì)象自身的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于線程在運(yùn)行時(shí)貼上自己的標(biāo)簽，別的線程不可用，其占用內(nèi)存大小與虛擬機(jī)位長(zhǎng)一致，在運(yùn)行期間，考慮到JVM的空間效率，Mark Word被設(shè)計(jì)成為一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便存儲(chǔ)更多有效的數(shù)據(jù)。

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2.1.2 存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)對(duì)象自身數(shù)據(jù)（重量級(jí)鎖JDK1.6之前）

關(guān)于Epoch：Epoch?默認(rèn)最大值為40，到超過40后會(huì)變成輕量級(jí)鎖

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2.1.3 關(guān)于鎖的升級(jí)

為了提高獲得鎖與釋放鎖的效率，JDK1.6之后對(duì)內(nèi)建鎖做了優(yōu)化（新增偏向，輕量級(jí)鎖），所以在 Java SE1.6 里鎖一共有四種狀態(tài)，無鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，它會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)，鎖可以升級(jí)不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率

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2.2偏向鎖

偏向鎖：最樂觀的鎖，從始至終只有一個(gè)線程請(qǐng)求一把鎖。

偏向鎖獲取，如下圖：

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當(dāng)一個(gè)線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭的棧幀中的鎖記錄中記錄存儲(chǔ)偏向鎖的線程ID。以后該線程再次進(jìn)入同步塊時(shí)不再需要CAS來加鎖和解鎖，只需簡(jiǎn)單測(cè)試一下對(duì)象頭的mark?word中偏向鎖線程ID是否是當(dāng)前線程ID，

如果成功，表示線程已獲取到鎖直接進(jìn)入代碼塊運(yùn)行。

如果測(cè)試失敗，檢查當(dāng)前偏向鎖字段是否為0，如果為0，將偏向鎖字段設(shè)置為1，并且更新自己的線程ID到mark?word字段當(dāng)中

如果為1，表示此時(shí)偏向鎖已經(jīng)被別的線程獲取。則此線程不斷嘗試使用CAS獲取偏向鎖或者將偏向鎖撤銷，升級(jí)為輕量級(jí)鎖（升級(jí)概率較大）。

偏向鎖的撤銷：

偏向鎖使用一種等待競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，當(dāng)有其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放偏向鎖。

小tips：偏向鎖的撤銷開銷較大，需要等待線程進(jìn)入全局安全點(diǎn)safepoint（當(dāng)前線程在CPU上沒有執(zhí)行任何有用字節(jié)碼）

偏向鎖從JDK1.6默認(rèn)開啟，但是它在應(yīng)用程序幾秒后才激活。

-XX：BiasedLockingStartupDelay=0，將延遲關(guān)閉，JVM一啟動(dòng)就激活偏向鎖

-XX：-UseBiasedLocking=false，關(guān)閉偏向鎖，程序默認(rèn)進(jìn)入輕量級(jí)鎖。

偏向鎖的獲得和撤銷流程

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2.3?輕量級(jí)鎖? 減少多線程進(jìn)入互斥（mutex）的幾率

輕量級(jí)鎖：多個(gè)線程在不同時(shí)間段請(qǐng)求同一把鎖，也就是基本不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)。針對(duì)此種情況，JVM采用輕量級(jí)鎖來避免線程的阻塞以及喚醒。

只要在同一時(shí)間內(nèi)有線程去競(jìng)爭(zhēng)鎖，那么線程執(zhí)行一次CAS操作，然后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被別的線程搶占，直接升級(jí)為重量級(jí)鎖，不在進(jìn)行CAS操作；

輕量級(jí)鎖及膨脹流程圖

加鎖：

線程在執(zhí)行同步代碼塊之前，JVM先在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭的mark?word字段直接復(fù)制到此空間中。然后線程嘗試使用CAS將對(duì)象頭的mark?word替換為指向鎖記錄的指針（指當(dāng)前線程），如果成功表示獲取到輕量級(jí)鎖。如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)輕量級(jí)鎖，當(dāng)前線程便使用自旋來不斷嘗試。

釋放：

解鎖時(shí)，會(huì)使用CAS將復(fù)制的mark?word替換回對(duì)象頭，如果成功，表示沒有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生，正常解鎖。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步膨脹為重量級(jí)鎖。

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三種鎖的對(duì)比：

鎖	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	適用場(chǎng)景
偏向鎖	加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法比僅存在納秒級(jí)的差距。	如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)帶來額外的鎖撤銷的消耗。	適用于一個(gè)線程訪問同步代碼塊
輕量級(jí)鎖	競(jìng)爭(zhēng)的線程不會(huì)阻塞，提高了程序的響應(yīng)速度。	如果始終得不到鎖競(jìng)爭(zhēng)的線程使用自旋會(huì)消耗CPU。	響應(yīng)時(shí)間很短，同步塊執(zhí)行速度非?？?#xff0c;適用于多個(gè)線程在不同時(shí)間段申請(qǐng)同一把鎖
重量級(jí)鎖	線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗CPU。	線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢。	追求吞吐量。 同步塊執(zhí)行速度較長(zhǎng)。

?

重量級(jí)鎖會(huì)阻塞，喚醒請(qǐng)求加鎖的線程。針對(duì)的是多個(gè)線程同一個(gè)時(shí)刻競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖的情況，JVM采用自適應(yīng)自旋，來避免線程在面對(duì)非常小的同步塊時(shí)，仍會(huì)被阻塞以及喚醒。

輕量級(jí)鎖采用CAS操作，將鎖對(duì)象的標(biāo)記字段替換為指向線程的指針，存儲(chǔ)著鎖對(duì)象原本的標(biāo)記字段。針對(duì)的是多個(gè)線程在不同時(shí)間段申請(qǐng)同一把鎖的情況。

偏向鎖只會(huì)在第一次請(qǐng)求時(shí)采用CAS操作，在鎖對(duì)象的mark?word字段中記錄下當(dāng)前線程ID，此后運(yùn)行中持有偏向鎖的線程不再有加鎖過程。針對(duì)的是鎖僅會(huì)被同一線程持有

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java中的CAS操作以及锁机制详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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