Java並發：樂觀鎖

作者：湯圓

個人部落格：javalover.cc

簡介

悲觀鎖和樂觀鎖都屬於比較抽象的概念；

我們可以用擬人的手法來想像一下：

  • 悲觀鎖：像有些人，凡事都往壞的想，做最壞的打算；在java中就表現為，總是認為其他執行緒會去修改共享數據，所以每次操作共享數據時，都要加鎖（比如我們前面介紹過的內置鎖和顯式鎖）
  • 樂觀鎖：像樂天派，凡事都往好的想，做最好的打算；在Java中就表現為，總是認為其他執行緒都不會去修改共享數據，所以每次操作共享數據時，都不加鎖，而是通過判斷當前狀態和上一次的狀態，來進行下一步的操作；（比如這節要介紹的無鎖，其中最常見的實現就是CAS演算法）

目錄

  1. 樂觀鎖的簡單實現：CAS
  2. 樂觀鎖的優點&缺點
  3. 樂觀鎖的適用場景

正文

1. 樂觀鎖的簡單實現：CAS

CAS的實現原理是比較並交換，簡單點來說就是，更新數據之前，會先檢查數據是否有被修改過：

  • 如果沒有修改，則直接更新；
  • 如果有被修改過，則重試；

下面我們通過一個程式碼來看下CAS的應用，這裡舉的例子是原子類AtomicInteger

public class AtomicDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            service.submit(()->{
              	// 這裡會先檢查AtomicInteger中的值是否被修改，如果沒被修改，才會更新，否則會自旋等待
                atomicInteger.getAndIncrement();
            });
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

可以看到，輸出的永遠都是101，說明結果符合預期；

這裡我們看下getAndIncrement的源碼，如下所示：

// AtomicInteger.java
public final int getAndIncrement() {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
// UnSafe.java
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
  int var5;
  // 這裡就是上面的CAS演算法核心
  do {
    // 1. 先取出期望值 var5（var1為值所在的對象，var2為欄位在對象中的位移量）
    var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    // 2. 然後賦值時，獲取當前值，跟剛才取出的期望值 var5作比較
    // 2.1 如果比較後發現值被修改了，則循環do while，直到當前值符合預期，才會進行更新操作(默認10次，超過10次還不符合預期，就會掛起執行緒，不再浪費CPU資源)
    // 2.2 如果比較後發現值沒被修改，則直接更新
  } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    // 3. 返回舊值，即期望值
  return var5;
}

這裡假設我們不是用的原子變數，而是普通的int來執行自增，那麼就有可能出現結果<預期的情況（因為自增不是原子操作），比如下面的程式碼

// 不要用這種方式來修改int值，不安全
public class AtomicDemo {
    static int m = 1;
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            final int j = i;
            service.submit(()->{
                m++;
            });
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(m);
    }
}

多運行幾次，你會發現結果可能會小於預期，所以這就是原子類的好處：不用加鎖就可以實現自增等原子操作

2. 樂觀鎖的優點&缺點

它的優點很多，比如：

  1. 沒有鎖競爭，也就不會產生死鎖問題
  2. 不需要來回切換執行緒，降低了開銷（悲觀鎖需掛起和恢復執行緒，如果任務執行時間又很短，那麼這個操作就會很頻繁）

優點看起來還可以，那它有沒有缺點呢？也是有的：

  • ABA問題：比如執行緒1將共享數據A改為B，然後過一會又改為A，那麼此時執行緒2訪問數據時，會認為該數據沒被修改過（當前值符合預期值），這樣我們就無法得知數據中間是否真的被修改過，以及修改的次數
  • 開銷問題：如果自旋一直不符合預期值，那麼就會一直自旋，從而導致開銷很大(JDK6之前)
  • 原子操作的局限性問題：雖然CAS可以保證原子操作，但是只是針對單個數據而言的；如果有多個數據需要同
    步，CAS還是無能為力

下面我們就針對這幾個缺點來提出對於的解決方案

ABA問題

出現ABA問題，主要是因為我們沒有對修改過程進行記錄（就好比程式中的日誌記錄功能）

那麼我們可以通過版本號的方式來記錄每次修改，比如每修改一次，給對象的版本號屬性加1

不過現在有了AtomicStampedReference這個類，它幫我們封裝了所需的狀態值，拿來即用，如下所示：

public class AtomicStampedReference<V> {

    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        // 這裡的stamp就是狀態值，每次CAS都會同時比較當前值T和狀態值stamp
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }
    // 下面就是同時比較當前值和狀態值
     public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }
}

開銷問題

利用CAS進行自旋操作時，如果發現當前值一直都不等於期望值，就會一直循環（JDK6之前）

所以這裡就引出了一個適應性自旋鎖的概念：當嘗試過N次後，發現還是不成功，則退出循環，掛起執行緒（JDK6之後，有了適應性自旋鎖）

這裡的N是不固定的，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，並且持有鎖的執行緒正在運行中，那麼虛擬機就會認為這次自旋也是很有可能再次成功，進而它將允許自旋等待持續相對更長的時間。如果對於某個鎖，自旋很少成功獲得過，那在以後嘗試獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，直接阻塞執行緒，避免浪費處理器資源

—- 參考自《不可不說的Java「鎖」事》

大致意思就是，如果一個執行緒之前自旋成功過，獲取過鎖，那麼後面就會讓這個執行緒多自旋一會，比如20次（信用高）

但是如果如果一個執行緒之前自旋沒成功過或者很少成功，那麼後面就會讓這個執行緒少自旋一會，比如5次（信用低）

這裡需要糾正一個觀點：自旋鎖的次數設置問題，從JDK6開始，-XX:PreBlockSpin這個VM參數已經沒有意義了，在JDK7中已經被移除了；JDK6版本之後，默認都是用適應性自旋鎖來動態設置自旋的次數

如下圖所示：

image

在IDEA中添加-XX:PreBlockSpin=1參數，運行會報錯如下：

image

原子操作的局限性問題

CAS的原子操作只是針對單個共享變數而言的（就像前面介紹的同步容器一樣，雖然每個方法都有鎖，但是複合操作卻無法保證原子性）

不過AtomicReference這個類會有所幫助，它內部有一個V屬性，我們可以將多個共享變數封裝到這個V屬性中，然後再對V進行CAS操作

源碼如下：

public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L;

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
	// 這裡的V我們可以自己定義一個類，然後將多個共享變數都封裝進去
    private volatile V value;
}

3. 樂觀鎖的適用場景

分析樂觀鎖的適用場景之前，我們可以先看下悲觀鎖的適用場景

悲觀鎖是一來就上鎖，所以比較適合寫多讀少的場景，因為上了鎖，可以保證數據的一致性

那麼樂觀鎖對應的，就是從來都不上鎖，所以比較適合讀多寫少的場景，因為讀不會修改數據，所以CAS時成功的概率很大，也就不會有額外的開銷

總結

  1. 樂觀鎖的簡單實現：CAS，比較並交換
  2. 樂觀鎖的優點&缺點：
優點 缺點
沒有鎖競爭，也就不會產生死鎖問題 ABA問題（加狀態值解決）
不需要來回切換執行緒，降低了開銷 自旋時間過長導致的開銷問題（舊版本JDK6之前才有的問題，JDK6之後默認用適應性自旋來動態設置自旋次數）
多個共享變數不能保證原子操作（用AtomicReference封裝多個共享變數）
  1. 樂觀鎖的適用場景：讀多寫少

參考

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