Java中的CAS鎖機制(無鎖、自旋鎖、樂觀鎖、輕量級鎖)詳解

更新時間：2024年01月16日 10:54:25 作者：user2025

這篇文章主要介紹了Java中的CAS鎖機制(無鎖、自旋鎖、樂觀鎖、輕量級鎖)詳解,CAS算法的作用是解決多線程條件下使用鎖造成性能損耗問題的算法,保證了原子性,這個原子操作是由CPU來完成的,需要的朋友可以參考下

什么是CAS機制（compare and swap）

CAS算法的作用：解決多線程條件下使用鎖造成性能損耗問題的算法，保證了原子性，這個原子操作是由CPU來完成的

CAS的原理：CAS算法有三個操作數(shù)，通過內(nèi)存中的值（V）、預(yù)期原始值（A)、修改后的新值。

（1）如果內(nèi)存中的值和預(yù)期原始值相等，就將修改后的新值保存到內(nèi)存中。

（2）如果內(nèi)存中的值和預(yù)期原始值不相等，說明共享數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改，放棄已經(jīng)所做的操作，然后重新執(zhí)行剛才的操作，直到重試成功。

注意：

（1）預(yù)期原始值（A)是從偏移位置讀取到三級緩存中讓CPU處理的值，修改后的新值是預(yù)期原始值經(jīng)CPU處理暫時存儲在CPU的三級緩存中的值，而內(nèi)存指定偏移位置中的原始值。

（2）比較從指定偏移位置讀取到緩存的值與指定內(nèi)存偏移位置的值是否相等，如果相等則修改指定內(nèi)存偏移位置的值，這個操作是操作系統(tǒng)底層匯編的一個原子指令實現(xiàn)的，保證了原子性

JVM中CAS是通過UnSafe類來調(diào)用操作系統(tǒng)底層的CAS指令實現(xiàn)。
CAS基于樂觀鎖思想來設(shè)計的，其不會引發(fā)阻塞，synchronize會導(dǎo)致阻塞。

原子類

java.util.concurrent.atomic包下的原子類都使用了CAS算法。而java.util.concurrent中的大多數(shù)類的實現(xiàn)都直接或間接的使用了這些原子類。 Unsafe類使Java擁有了類似C語言指針操作內(nèi)存空間的能力，同時也帶來了指針的安全問題。

AtomicInteger原子類

AtomicInteger等原子類沒有使用synchronized鎖，而是通過volatile和CAS(Compare And Swap)解決資源的線程安全問題。

（1）volatile保證了可見性和有序性

（2）CAS保證了原子性，而且是無鎖操作，提高了并發(fā)效率。

//創(chuàng)建Unsafe類的實例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//成員變量value是在內(nèi)存地址中距離當(dāng)前對象首地址的偏移量, 具體賦值是在下面的靜態(tài)代碼塊中中進行的
private static final long valueOffset;
static {
    try {
        //類加載的時候，在靜態(tài)代碼塊中獲取變量value的偏移量
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 當(dāng)前AtomicInteger原子類的value值
private volatile int value;
//類似于i++操作
public final int getAndIncrement() {
	//this代表當(dāng)前AtomicInteger類型的對象，valueOffset表示value成員變量的偏移量
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
================================上方為AtomicInteger類中的方法，下方為Unsafe類中的方法=========================================================
//此方法的作用：獲取內(nèi)存地址為原子對象首地址+原子對象value屬性地址偏移量, 并將該變量值加上delta
public final int getAndAddInt(Object obj, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
    	//通過對象和偏移量獲取變量值作為期望值，在修改該內(nèi)存偏移位置的值時與原始進行比較
    	//此方法中采用volatile的底層原理,保證了內(nèi)存可見性，所有線程都從內(nèi)存中獲取變量vlaue的值，所有線程看到的值一致。
        v= this.getIntVolatile(obj, offset);
    /*
	while中的compareAndSwapInt()方法嘗試修改v的值,具體地, 該方法也會通過obj和offset獲取變量的值
	如果這個值和v不一樣, 說明其他線程修改了obj+offset地址處的值, 此時compareAndSwapInt()返回false, 繼續(xù)循環(huán)
	如果這個值和v一樣, 說明沒有其他線程修改obj+offset地址處的值, 此時可以將obj+offset地址處的值改為v+delta, compareAndSwapInt()返回true, 退出循環(huán)
	Unsafe類中的compareAndSwapInt()方法是原子操作, 所以compareAndSwapInt()修改obj+offset地址處的值的時候不會被其他線程中斷
	*/
    } while(!this.compareAndSwapInt(obj, offset, v, v + delta));
    return v;
}

操作步驟：

（1）獲取AtomicInteger對象首地址指定偏移量位置上的值，作為期望值。

（2）取出獲取AtomicInteger對象偏移量上的值，判斷與期望值是否相等，相等就修改AtomicInteger在內(nèi)存偏移量上的值，不相等就返回false，重新執(zhí)行第一步操作，重新獲取內(nèi)存指定偏移量位置的值。

（3）如果相等，則修改值并返回true。

注意：從1、2步可以看CAS機制實現(xiàn)的鎖是自旋鎖，如果線程一直無法獲取到鎖，則一直自旋，不會阻塞

CAS和syncronized的比較

CAS線程不會阻塞，線程一致自旋 syncronized會阻塞線程，會進行線程的上下文切換，會由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，切換前需要保存用戶態(tài)的上下文，而內(nèi)核態(tài)恢復(fù)到用戶態(tài)，又需要恢復(fù)保存的上下文，非常消耗資源。

CAS的缺點

（1）ABA問題如果一個線程t1正修改共享變量的值A(chǔ)，但還沒修改，此時另一個線程t2獲取到CPU時間片，將共享變量的值A(chǔ)修改為B，然后又修改為A，此時線程t1檢查發(fā)現(xiàn)共享變量的值沒有發(fā)生變化，但是實際上卻變化了。

解決辦法： 使用版本號，在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加1，那么A－B－A 就會變成1A-2B-3A。從Java1.5開始JUC包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。AtomicStampedReference類的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前版本號是否等于預(yù)期版本號，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

（2）循環(huán)時間長開銷會比較大：自旋重試時間，會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷

（3）只能保證一個共享變量的原子操作，不能保證同時對多個變量的原子性操作 解決辦法： 從Java1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，你可以把多個變量放在一個對象里來進行CAS操作