快捷導(dǎo)航

詳解JAVA如何實(shí)現(xiàn)樂觀鎖以及CAS機(jī)制

更新時(shí)間：2022年12月04日 16:21:24 作者：JAVA旭陽(yáng)

悲觀鎖和樂觀鎖其實(shí)本質(zhì)都是一種思想，在JAVA中對(duì)于悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)大家可能都很了解，可以通過synchronized、ReentrantLock加鎖實(shí)現(xiàn)，本文不展開講解了。那么樂觀鎖在JAVA中是如何實(shí)現(xiàn)的呢？底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制又是什么呢？本文就來(lái)和大家詳細(xì)講講

前言

生活中我們看待一個(gè)事物總有不同的態(tài)度，比如半瓶水，悲觀的人會(huì)覺得只有半瓶水了，而樂觀的人則會(huì)認(rèn)為還有半瓶水呢。很多技術(shù)思想往往源于生活，因此在多個(gè)線程并發(fā)訪問數(shù)據(jù)的時(shí)候，有了悲觀鎖和樂觀鎖。

悲觀鎖認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)肯定會(huì)被其他線程給修改了，那我就給它上鎖，只能自己訪問，要等我訪問完，其他人才能訪問，我上鎖、解鎖都得花費(fèi)我時(shí)間。
樂觀鎖認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)不會(huì)被修改，我就直接訪問，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)真的修改了，那我也“禮貌的”讓自己訪問失敗。

悲觀鎖和樂觀鎖其實(shí)本質(zhì)都是一種思想，在JAVA中對(duì)于悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)大家可能都很了解，可以通過synchronized、ReentrantLock加鎖實(shí)現(xiàn)，本文不展開講解了。那么樂觀鎖在JAVA中是如何實(shí)現(xiàn)的呢？底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制又是什么呢？

問題引入

我們用一個(gè)賬戶取錢的例子來(lái)說明樂觀鎖和悲觀鎖的問題。

public class AccountUnsafe {
     // 余額
     private Integer balance;
    
     public AccountUnsafe(Integer balance) {
     	this.balance = balance;
     }
    
    @Override
     public Integer getBalance() {
     	return balance;
     }
    
     @Override
     public void withdraw(Integer amount) {
     	balance -= amount;
     }
}

賬戶類，withdraw()方法是取錢方法。

public static void main(String[] args) {
        // 賬戶10000元
        AccountUnsafe account = new AccountUnsafe(10000);
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        // 1000個(gè)線程，每次取10元
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        // 打印賬戶余額和花費(fèi)時(shí)間
        log.info("賬戶余額：{}, 花費(fèi)時(shí)間: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }

賬戶默認(rèn)有10000元，1000個(gè)線程取錢，每次取10元，最后賬戶應(yīng)該還有多少錢呢？

運(yùn)行結(jié)果：

運(yùn)行結(jié)果顯示余額還有150元，顯然出現(xiàn)并發(fā)問題。

原因分析:

原因也很簡(jiǎn)單，取錢方法withdraw()的操作balance -= amount;看著就一行代碼，實(shí)際上會(huì)生成多條指令，如下圖所示：

多個(gè)線程運(yùn)行的時(shí)候會(huì)進(jìn)行線程切換，導(dǎo)致這個(gè)操作不是原子性，所以不是線程安全的。

悲觀鎖解決

最簡(jiǎn)單的方法，我想大家都能想到吧，給withdraw()方法加鎖，保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠執(zhí)行這個(gè)方法，保證了原子性。

通過synchronized關(guān)鍵字加鎖。

運(yùn)行結(jié)果：

運(yùn)行結(jié)果正常，但是花費(fèi)時(shí)間稍微多了一點(diǎn)

樂觀鎖解決

關(guān)鍵來(lái)了，如果用樂觀鎖的思想在JAVA中該如何實(shí)現(xiàn)呢？

大致思路就是我默認(rèn)不加任何鎖，我先把余額減掉10元，最后更新余額的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)余額和我一開始不一樣了，我就丟棄當(dāng)前更新操作，重新讀取余額的值，直到更新成功。

找啊找，最終發(fā)現(xiàn)JDK中的Unsafe方法提供了這樣的方法compareAndSwapInt。

先獲取老的余額oldBalance，計(jì)算出新的余額newBalance
調(diào)用 unsafe.compareAndSwapInt()方法，如果內(nèi)存中余額屬性的偏移量BALANCE_OFFSET對(duì)應(yīng)的值等于老的余額，說明的確沒有被其他線程訪問修改過，我就大膽的更新為newBalance，退出方法
否則的話，我就要進(jìn)入下一次循環(huán)，重新獲取余額計(jì)算。

那么是如何獲取unsafe呢?

靜態(tài)方法中通過反射的方法獲取，因?yàn)?code>Unsafe類太底層了，它一般不建議程序員直接使用。

這個(gè)Unsafe類的名稱并不是說線程不安全的意思，只是這個(gè)類太底層了，不要亂用，對(duì)程序員來(lái)說不大安全。

最后別忘了余額balance要加volatile修飾。

主要為了保證可見性，讓線程能夠獲取到其他線程修改的結(jié)果。

運(yùn)行結(jié)果：

余額也為0，正常，而且運(yùn)行速度稍微快了一丟丟

完成代碼：

@Slf4j(topic = "a.AccountCAS")
public class AccountCAS {
    // 余額
    private volatile int balance;
    // Unsafe對(duì)象
    static final Unsafe unsafe;
    // balance 字段的偏移量
    static final long BALANCE_OFFSET;
    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
            // balance 屬性在 AccountCAS 對(duì)象中的偏移量，用于 Unsafe 直接訪問該屬性
            BALANCE_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(AccountCAS.class.getDeclaredField("balance"));
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public AccountCAS(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public int getBalance() {
        return balance;
    }

    public void withdraw(Integer amount) {
        // 自旋
        while (true) {
            // 獲取老的余額
            int oldBalance = balance;
            // 獲取新的余額
            int newBalance = oldBalance - amount;
            // 更新余額，BALANCE_OFFSET表示balance屬性的偏移量， 返回true表示更新成功， false更新失敗，繼續(xù)更新
            if(unsafe.compareAndSwapInt(this, BALANCE_OFFSET, oldBalance, newBalance)) {
                return;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 賬戶10000元
        AccountCAS account = new AccountCAS(10000);
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        // 1000個(gè)線程，每次取10元
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        // 打印賬戶余額和花費(fèi)時(shí)間
        log.info("賬戶余額：{}, 花費(fèi)時(shí)間: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}