問題：

1、樂觀鎖和悲觀鎖的理解及如何實現(xiàn)，有哪些實現(xiàn)方式？

2、什么是樂觀鎖和悲觀鎖？

3、樂觀鎖可以重入嗎？

1. 悲觀鎖存在的問題

獨占鎖其實就是一種悲觀鎖，java的synchronized是悲觀鎖。悲觀鎖可以確保無論哪個線程持有鎖，都能獨占式訪問臨界區(qū)。雖然悲觀鎖的邏輯非常簡單，但是存在不少問題。

悲觀鎖總是假設(shè)會發(fā)生最壞的情況，每次線程讀取數(shù)據(jù)時，也會上鎖。這樣其他線程在讀取數(shù)據(jù)時就會被阻塞，直到它拿到鎖。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用到了很多悲觀鎖，比如行鎖、表鎖、讀鎖、寫鎖等。

悲觀鎖機制存在以下問題：

（1）在多線程競爭下，加鎖、釋放鎖會導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時，引起性能問題。

（2）一個線程持有鎖后，會導(dǎo)致其他所有搶占此鎖的線程掛起。

（3）如果一個優(yōu)先級高的線程等待一個優(yōu)先級低的線程釋放鎖，就會導(dǎo)致線程的優(yōu)先級倒置，從而引發(fā)性能風(fēng)險。

解決以上悲觀鎖的這些問題的有效方式是使用樂觀鎖去替代悲觀鎖。與之類似，數(shù)據(jù)庫操作中的帶版本號數(shù)據(jù)更新、JUC包的原子類，都使用了樂觀鎖的方式提升性能。

2. 通過CAS實現(xiàn)樂觀鎖

樂觀鎖的操作主要就是兩個步驟：（1）第一步：沖突檢測。（2）第二步：數(shù)據(jù)更新。

樂觀鎖一種比較典型的就是CAS原子操作，JUC強大的高并發(fā)性能是建立在CAS原子之上的。CAS操作中包含三個操作數(shù)：需要操作的內(nèi)存位置（V）、進行比較的預(yù)期原值（A）和擬寫入的新值（B）。如果內(nèi)存位置V的值與預(yù)期原值A(chǔ)相匹配，那么處理器會自動將該位置的值更新為新值B；否則處理器不做任何操作。

CAS操作可以非常清晰地分為兩個步驟：

（1）檢測位置V的值是否為A。

（2）如果是，就將位置V更新為B值；否則不要更改該位置。

CAS操作的兩個步驟其實與樂觀鎖操作的兩個步驟是一致的，都是在沖突檢測后進行數(shù)據(jù)更新。

樂觀鎖是一種思想，而CAS是這種思想的一種實現(xiàn)。實際上，如果需要完成數(shù)據(jù)的最終更新，僅僅進行一次CAS操作是不夠的，一般情況下，需要進行自旋操作，即不斷地循環(huán)重試CAS操作直到成功，這也叫CAS自旋。通過CAS自旋，在不使用鎖的情況下實現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是說，在沒有線程被阻塞的情況下實現(xiàn)變量的同步，這叫作“非阻塞同步”，或者說“無鎖同步”。使用基于CAS自旋的樂觀鎖進行同步控制，屬于無鎖編程的一種實踐。

3. 不可重入的自旋鎖

自旋鎖的基本含義為：當(dāng)一個線程在獲取鎖的時候，如果鎖已經(jīng)被其他線程獲取，調(diào)用者就一直在那里循環(huán)檢查該鎖是否已經(jīng)被釋放，一直到獲取到鎖才會退出循環(huán)。

CAS自旋鎖的實現(xiàn)原理為：

搶鎖線程不斷進行CAS自旋操作去更新鎖的owner（擁有者），如果更新成功，就表明已經(jīng)搶鎖成功，退出搶鎖方法。如果鎖已經(jīng)被其他線程獲?。ㄒ簿褪莖wner為其他線程），調(diào)用者就一直在那里循環(huán)進行owner的CAS更新操作，一直到成功才會退出循環(huán)。

public class SpinLock implements Lock {
     // 當(dāng)前鎖的擁有者
    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
     @Override
    public void lock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 自旋
        while (owner.compareAndSet(null,t)){
            // 讓出CPU的時間片
            Thread.yield();
        }
    }
     @Override
    public void unlock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 只有擁有者才能獲取鎖
        if(t==owner.get()){
            // 設(shè)置owner為空，這里不需要使用compareAndSet，因為已經(jīng)通過owner做過線程檢查
            owner.set(null);
        }
    }
     // 省略其他代碼...
}

上述SpinLock是不支持重入的，即當(dāng)一個線程第一次已經(jīng)獲取到了該鎖，在鎖沒有被釋放之前，如果又一次重新獲取該鎖，第二次將不能成功獲取到，因為自旋后CAS會失敗。

4. 可重入的自旋鎖

為了實現(xiàn)可重入鎖，這里引入一個計數(shù)器，用來記錄一個線程獲取鎖的次數(shù)。一個簡單的可重入的自旋鎖的代碼大致如下：

public class ReentrantSpinLock implements Lock {
     // 當(dāng)前鎖的擁有者，使用Thread作為同步狀態(tài)
    AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
     // 記錄一個線程重復(fù)獲取鎖的次數(shù)
    private int count = 0;
     // 搶占鎖
    @Override
    public void lock() {
        Thread t =  Thread.currentThread();
        // 如果時沖入，增加重入次數(shù)后，返回
        if(t==owner.get()){
            count++;
            return;
        }
        // 自旋
        while (owner.compareAndSet(null,t)){
            Thread.yield();
        }
    }
     @Override
    public void unlock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 只有擁有者才能釋放鎖
        if(t==owner.get()){
            // 如果重入次數(shù)大于0，減少重入次數(shù)后返回
            if(count>0){
                count--;
            }else{
                // 設(shè)置擁有者為null
                owner.set(null);
            }
        }
    }
     // 省略其他代碼...
}

自旋鎖的特點：線程獲取鎖的時候，如果鎖被其他線程持有，當(dāng)前線程將循環(huán)等待，直到獲取到鎖。線程搶鎖期間狀態(tài)不會改變，一直是運行狀態(tài)（RUNNABLE），在操作系統(tǒng)層面線程處于用戶態(tài)。

自旋鎖的問題：在爭用激烈的場景下，如果某個線程持有鎖的時間太長，就會導(dǎo)致其他空自旋的線程耗盡CPU資源。另外，如果大量的線程進行空自旋，還可能導(dǎo)致硬件層面的“總線風(fēng)暴”。

在爭用激烈的場景下，Java輕量級鎖會快速膨脹為重量級鎖，其本質(zhì)上一是為了減少CAS空自旋，二是為了避免同一時間大量CAS操作所導(dǎo)致的總線風(fēng)暴。那么，JUC基于CAS實現(xiàn)的輕量級鎖如何避免總線風(fēng)暴呢？答案是：使用隊列對搶鎖線性進行排隊，最大程度上減少了CAS操作數(shù)量。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!   

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