快捷導航

解析Java多線程之常見鎖策略與CAS中的ABA問題

更新時間：2022年06月06日 11:41:16 作者：未見花聞

本篇文章介紹了常見的鎖策略，并說明了synchronized關(guān)鍵字加的鎖類型不是單一一種鎖類型的，根據(jù)可重入鎖與非可重入鎖引出了死鎖的概念與死鎖條件，最后介紹了CAS指令以及CAS鎖產(chǎn)生的ABA問題及其解決方案,需要的朋友可以參考下

??1.常見的鎖策略

??1.1樂觀鎖與悲觀鎖

樂觀鎖與悲觀鎖是從處理鎖沖突的態(tài)度方面來進行考量分類的。

樂觀鎖預(yù)期鎖沖突的概率很低，所以做的準備工作更少，付出更少，效率較高。
悲觀鎖預(yù)期鎖沖突的概率很高，所以做的準備工作更多，付出更多，效率較低。

??1.2讀寫鎖與普通互斥鎖

對于普通的互斥鎖只有兩個操作：

加鎖
解鎖

而對于讀寫鎖來說有三個操作：

加讀鎖，如果代碼僅進行讀操作，就加讀鎖。
加寫鎖，如果代碼含有寫操作，就加寫鎖。
解鎖。

針對讀鎖與讀鎖之間，是沒有互斥關(guān)系的，因為多線程中同時讀一個變量是線程安全的，針對讀鎖與寫鎖之間以及寫鎖與寫鎖之間，是存在互斥關(guān)系的。

在java中有讀寫鎖的標準類，位于java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock，其中ReentrantReadWriteLock.ReadLock為讀鎖，ReentrantReadWriteLock.WriteLock為寫鎖。

??1.3重量級鎖與輕量級鎖

這兩種類型的鎖與悲觀鎖樂觀鎖有一定的重疊，重量級鎖做的事情更多，開銷更大，輕量級鎖做的事情較少，開銷也就較少，在大部分情況下，可以將重量級鎖視為悲觀鎖，輕量級鎖視為樂觀鎖。

如果鎖的底層是基于內(nèi)核態(tài)實現(xiàn)的（比如調(diào)用了操作系統(tǒng)提供的mutex接口）此時一般認為是重量級鎖，如果是純用戶態(tài)實現(xiàn)的，一般認為是輕量級鎖。

??1.4掛起等待鎖與自旋鎖

掛起等待鎖表示當獲取鎖失敗之后，對應(yīng)的線程就要在內(nèi)核中掛起等待(放棄CPU,進入等待隊列)，需要在鎖被釋放之后由操作系統(tǒng)喚醒，該類型的鎖是重量級鎖的典型實現(xiàn)。自旋鎖表示在獲取鎖失敗后，不會立刻放棄CPU，而是快速頻繁的再次詢問鎖的持有狀態(tài)一旦鎖被釋放了，就能立刻獲取到鎖，該類型的鎖是輕量級鎖的典型實現(xiàn)。

??掛起等待鎖與自旋鎖的區(qū)別

最明顯的區(qū)別就是，掛起等待鎖開銷比自旋鎖要大，且掛起等待鎖效率不如自旋鎖。
掛起等待鎖會放棄CPU資源，自旋鎖不會放棄CPU資源，會一直等到鎖釋放為止。
自旋鎖相較于掛起等待鎖更能及時獲取到剛釋放的鎖。
自旋鎖相較于掛起等待鎖的劣勢就是當自旋的時間長了，會持續(xù)地銷耗CPU資源，因此自旋鎖也可以說是樂觀鎖。

??1.5公平鎖與非公平鎖

公平鎖遵循先來后到的原則，多個線程在等待一把鎖的時候，誰先來嘗試拿鎖，那這把鎖就是誰的。非公平鎖遵循隨機的原則，多個線程正在等待一把鎖時，當鎖釋放時，每個線程獲取到這把鎖的概率是均等的。

??1.6可重入鎖與不可重入鎖

一個線程連續(xù)加鎖兩次，不會造成死鎖，那么這個鎖就是可重入鎖。反之，一個線程連續(xù)加鎖兩次，會造成死鎖現(xiàn)象，那么這個鎖就是不可重入鎖。

關(guān)于死鎖是什么，稍等片刻，后面就會介紹到。

??綜合上述的幾種鎖策略，synchronized加的所到底是什么鎖？

它既是樂觀鎖也是悲觀鎖，當鎖競爭較小時它就是樂觀鎖，鎖競爭較大時它就是悲觀鎖。
它是普通互斥鎖。
它既是輕量級鎖也是重量級鎖，根據(jù)鎖競爭激烈程度自適應(yīng)。
輕量級鎖部分基于自旋鎖實現(xiàn)，重量級鎖部分基于掛起等待鎖實現(xiàn)。
它是非公平鎖。
它是可重入鎖。

??1.7死鎖問題

??1.7.1常見死鎖的情況

死鎖是指多個進程在運行過程中因爭奪資源而造成的一種僵局，當進程處于這種僵持狀態(tài)時，若無外力作用，它們都將無法再向前推進。

??情況1：一個線程一把鎖比如下面這種情況

加鎖 方法 () {
	加鎖 (this) {
		//代碼塊
	}
}

首先，首次加鎖，可以成功，因為當前對象并沒有被加鎖，然后進去方法里面，再次進行加鎖，此時由于當前對象已經(jīng)被鎖占用，所以會加鎖失敗然后嘗試再次加鎖，此時就會陷入一個加鎖的死循環(huán)當中，造成死鎖。

??情況2：兩個線程兩把鎖不妨將兩個線程稱為A,B，兩把鎖稱為S1,S2，當線程A已經(jīng)占用了鎖S1，線程B已經(jīng)占用了鎖S2，當線程A運行到加鎖S2時，由于鎖S2被線程B占用，線程A會陷入阻塞狀態(tài)，當線程B運行到加鎖S1時，由于鎖S1被線程A占用，會導致線程B陷入阻塞狀態(tài)，兩個線程都陷入了阻塞狀態(tài)，而且自然條件下無法被喚醒，造成了死鎖。

??情況3：多個線程多把鎖最典型的栗子就是哲學家就餐問題，下面我們來分析哲學家就餐問題。

??1.7.2哲學家就餐問題

哲學家就餐問題是迪杰斯特拉這位大佬提出并解決的問題，具體問題如下：

有五位非常固執(zhí)的科學家每天圍在一張圓桌上面吃飯，這個圓桌上一共有5份食物和5根筷子，哲學家們成天都坐在桌前思考，當餓了的時候就會拿起距離自己最近的2根筷子就餐，但是如果發(fā)現(xiàn)離得最近的筷子被其他哲學家占用了，這個哲學家就會一直等，直到旁邊的哲學家就餐完畢，這位科學家才會拿起左右的筷子進行就餐，就餐完畢后哲學家們又開始進行思考狀態(tài)，餓了就再次就餐。

哲學家就餐問題

當哲學家們每個人都拿起了左邊的筷子或者右邊的筷子，由于哲學家們非常地頑固，拿起一只筷子后發(fā)現(xiàn)另一只筷子被占用就會一直等待，所以所有的哲學家都會互相地等待，這樣就會造成所有哲學家都在等待，即死鎖。

哲學家環(huán)路等待

??從上述的幾種造成死鎖的情況，可以總結(jié)發(fā)生死鎖的條件：

互斥使用，一個鎖被一個線程占用后，其他線程使用不了（鎖本質(zhì)，保證原子性）。
不可搶占，一個鎖被一個線程占用后，其他線程不能將鎖搶占。
請求和保持，當一個線程占據(jù)多把鎖后，除非顯式釋放鎖，否則鎖一直被該線程鎖占用。
環(huán)路等待，多個線程等待關(guān)系閉環(huán)了，比如A等B，B等C，C等A。

??如何避免環(huán)路等待？只需約定好，線程針對多把鎖加鎖時有固定的順序即可，當所有的線程都按照約定的順序加鎖就不會出現(xiàn)環(huán)路等待。

比如對于上述的哲學家就餐問題，我們可以對筷子進行編號，每次哲學家優(yōu)先拿編號小的筷子就可以避免死鎖。

哲學家問題解決

??2.CAS指令與ABA問題

??2.1CAS指令

CAS即compare and awap，即比較加交換，具體說就是將寄存器或者某個內(nèi)存上的值v1與另一個內(nèi)存上的值v2進行比較，如果相同就將v1與需要修改的值swapV進行交換，并返回交換是否成功的結(jié)果。

偽代碼如下：

boolean CAS(v1, v2, swapV) {
	if (v1 == v2) {
		v1=swapV;
		return true;
	}
	return false;
}

上面的這一段偽代碼很明顯就是線程不安全的，CPU中提供了一條指令能夠一步到位實現(xiàn)上述偽代碼的功能，即CAS指令。該指令是具有原子性的，是線程安全的。

java標準庫中提供了基于CAS所實現(xiàn)的“原子類”，這些類的類名以Atomic開頭，針對常用的int,long等進行了封裝，它們可以基于CAS的方式進行修改，是線程安全的。

CAS標準類

就比如上次使用多個線程對同一個變量進行自增操作的那個程序，它是線程不安全的，但是如果使用CAS原子類來實現(xiàn)，那就是線程安全的。

其中的getAndIncrement方法相當于i++操作。現(xiàn)在我們來使用原子類中的“getAndIncrement方法（基于CAS實現(xiàn)）來實現(xiàn)該程序。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Main {
    private static final int CNT = 50000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger count = new AtomicInteger();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

??運行結(jié)果：

原子類

從結(jié)果我們也能看出來，該程序是線程安全的。

上面所使用的AtomicInteger類方法getAndIncrement實現(xiàn)的偽代碼如下：

class AtomicInteger {
    private int value;//保存的值
    //自增操作
    public int getAndIncrement() {
        int oldValue = value;
        while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
            oldValue = value;
        }
        return oldValue;
    }
}

首先，對于CAS指令，它的執(zhí)行邏輯就是先判斷value的值是否與oldValue的值相同，如果相同就將原來value的值與value+1的值進行交換，相當于將value的值加1，其中oldValue的值為提前獲取的value值，在單線程中oldValue的值一定與value的值相同，但是多線程就不一定了，因為每時每刻都有可能被其他線程修改。

然后，我們再來看看下面的while循環(huán)，該循環(huán)使用CAS指令是否成功為判斷條件，如果CAS成功了則退出循環(huán)，此時value的值已經(jīng)加1，最終返回oldValue，因為后置++先使用后++。
如果CAS指令失敗了，這就說明有新線程提前對當前的value進行了++，value的值發(fā)生了改變，這時候需要重新保存value的值給oldValue，然后嘗試重新進行CAS操作，這樣就能保證有幾個線程操作，那就自增幾次，從而也就保證了線程安全，總的來說相當于傳統(tǒng)的++操作，基于CAS的自增操作只有兩個指令，一個是將目標值加載到寄存器，然后在寄存器上進行CAS操作，前面使用傳統(tǒng)++操作導致出現(xiàn)線程安全問題是指令交錯的情況，現(xiàn)在我們來畫一條時間軸，描述CAS實現(xiàn)的自增操作在多個線程指令交錯時的運行情況。

CAS時間圖

發(fā)現(xiàn)盡管指令交錯了，但是運行得到的結(jié)果預(yù)期也是相同的，也就說明基于CAS指令實現(xiàn)的多線程自增操作是線程安全的。

此外，基于CAS也能夠?qū)崿F(xiàn)自旋鎖，偽代碼如下：

//這是一個自旋鎖對象，里面有一個線程引用，如果該引用不為null，說明當前鎖對象被線程占用，反之亦然。
public class SpinLock {
    private Thread owner;
    public void lock(){
        // 通過 CAS 看當前鎖是否被某個線程持有. 
        // 如果這個鎖已經(jīng)被別的線程持有, 那么就自旋等待. 
        // 如果這個鎖沒有被別的線程持有, 那么就把 owner 設(shè)為當前嘗試加鎖的線程. 
        while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
       }
   }
    public void unlock (){
        this.owner = null;
   }
}

根據(jù)CAS與自旋鎖的邏輯，如果當前鎖對象被線程占用，則lock方法會反復地取獲取該鎖是否釋放，如果釋放了即owner==null，就會利用CAS操作將占用該鎖對象的線程設(shè)置為當前線程，并退出加鎖lock方法。

解鎖方法非常簡單，就將占用鎖對象的線程置為null即可。

??2.2ABA問題

根據(jù)上面的介紹我們知道CAS指令操作的本質(zhì)是先比較，滿足條件后再進行交換，在大部分情況下都能保證線程安全，但是有一種非常極端的情況，那就是一個值被修改后又被改回到原來的值，此時CAS操作也能成功執(zhí)行，這種情況在大多數(shù)的情況是沒有影響的，但是也存在問題。

像上述一個值被修改后又被改回來這種情況就是CAS中的ABA問題，雖說對于大部分場景都不會有問題，但是也存在bug，比如有以下一個場景就說明了ABA問題所產(chǎn)生的bug：

有一天。滑稽老鐵到ATM機去取款，使用ATM查詢之后，滑稽老鐵發(fā)現(xiàn)它銀行卡的余額還有200，于是滑稽老鐵想去100塊給女朋友買小禮物，但是滑稽老鐵取款時，在點擊取款按鈕后機器卡了一下，滑稽老鐵下意識又點了一下，假設(shè)這兩部取款操作執(zhí)行圖如下：

滑稽老鐵取錢

如果沒有出現(xiàn)意外，即使按下兩次取款按鈕也是正常的，但是在這兩次CAS操作之間，如圖滑稽老鐵的朋友給它轉(zhuǎn)賬了100塊，導致第一次CAS扣款100后的余額從100變回到了200，這時第二次CAS操作也會執(zhí)行成功，導致又被扣款100塊，最終余額是100塊，這種情況是不合理的，滑稽老鐵會組織滑稽大軍討伐銀行的，合理的情況應(yīng)該是第二次CAS仍然失敗，最終余額為200元。

滑稽老鐵被多扣錢