JAVA怎么实现乐观锁及CAS机制

目录

1. 引言
2. 乐观锁与悲观锁
   • 悲观锁
   • 乐观锁
3. CAS机制
   • CAS的基本概念
   • CAS的实现原理
   • CAS的优缺点
4. Java中的CAS实现
   • Atomic类
   • Unsafe类
5. 乐观锁的实现
   • 版本号机制
   • CAS实现乐观锁
6. CAS的应用场景
   • 计数器
   • 非阻塞算法
   • 并发集合
7. CAS的局限性
   • ABA问题
   • 自旋开销
   • 只能保证一个共享变量的原子操作
8. 解决CAS的局限性
   • 解决ABA问题
   • 减少自旋开销
   • 多个共享变量的原子操作
9. 总结
10. 参考文献

引言

在多线程编程中，锁机制是保证线程安全的重要手段。传统的锁机制如synchronized和ReentrantLock属于悲观锁，它们假设最坏的情况，认为每次访问共享资源时都会发生冲突，因此每次访问都会加锁。然而，悲观锁在高并发场景下可能会导致性能瓶颈。乐观锁则是一种更为轻量级的锁机制，它假设大多数情况下不会发生冲突，只有在更新数据时才会检查是否有冲突。乐观锁的核心思想是通过版本号或CAS（Compare-And-Swap）机制来实现。

本文将详细介绍Java中如何实现乐观锁及CAS机制，并探讨其应用场景和局限性。

乐观锁与悲观锁

悲观锁

悲观锁是一种保守的锁机制，它假设在多线程环境下，每次访问共享资源时都会发生冲突。因此，悲观锁在访问共享资源之前会先加锁，确保在锁释放之前其他线程无法访问该资源。常见的悲观锁实现包括synchronized关键字和ReentrantLock。

悲观锁的优点是实现简单，能够有效避免并发冲突。然而，悲观锁的缺点也很明显：在高并发场景下，频繁的加锁和解锁操作会导致性能瓶颈，尤其是在锁竞争激烈的情况下，线程可能会频繁地进入阻塞状态，影响系统的吞吐量。

乐观锁

乐观锁是一种更为轻量级的锁机制，它假设在多线程环境下，大多数情况下不会发生冲突。因此，乐观锁在访问共享资源时不会加锁，只有在更新数据时才会检查是否有冲突。如果检测到冲突，乐观锁会采取相应的措施（如重试或抛出异常）来处理冲突。

乐观锁的核心思想是通过版本号或CAS机制来实现。版本号机制是在数据中增加一个版本号字段，每次更新数据时都会检查版本号是否一致。CAS机制则是通过比较并交换的方式来实现原子操作。

乐观锁的优点是减少了加锁和解锁的开销，提高了系统的并发性能。然而，乐观锁的缺点是在高并发场景下，冲突的概率会增加，可能会导致重试次数增多，影响系统的性能。

CAS机制

CAS的基本概念

CAS（Compare-And-Swap）是一种原子操作，它包含三个操作数：内存位置（V）、预期值（A）和新值（B）。CAS操作的执行过程如下：

1. 比较内存位置V的值与预期值A是否相等。
2. 如果相等，则将内存位置V的值更新为新值B。
3. 如果不相等，则不进行任何操作。

CAS操作是原子的，即在执行过程中不会被其他线程打断。CAS操作通常用于实现无锁算法，如乐观锁。

CAS的实现原理

CAS操作的实现依赖于底层硬件的支持。现代处理器通常提供了原子指令（如x86架构的CMPXCHG指令）来实现CAS操作。Java中的CAS操作是通过Unsafe类来实现的，Unsafe类提供了对底层硬件的直接访问。

在Java中，CAS操作通常用于实现原子类（如AtomicInteger、AtomicLong等）。原子类通过CAS操作来实现对共享变量的原子更新。

CAS的优缺点

CAS操作的优点在于它能够实现无锁并发，减少了加锁和解锁的开销，提高了系统的并发性能。CAS操作适用于低冲突的场景，能够有效减少线程的阻塞时间。

然而，CAS操作也存在一些缺点：

1. ABA问题：CAS操作在比较内存位置的值时，只比较了值是否相等，而没有考虑值的变化过程。如果内存位置的值从A变为B，再变回A，CAS操作会认为值没有发生变化，从而导致错误的结果。
2. 自旋开销：在高并发场景下，CAS操作可能会失败多次，导致线程进入自旋状态，增加了CPU的开销。
3. 只能保证一个共享变量的原子操作：CAS操作只能保证对一个共享变量的原子操作，无法保证多个共享变量的原子操作。

Java中的CAS实现

Atomic类

Java中的java.util.concurrent.atomic包提供了一系列原子类，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。这些原子类通过CAS操作来实现对共享变量的原子更新。

以AtomicInteger为例，AtomicInteger类提供了compareAndSet方法来实现CAS操作：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet方法会比较当前值与预期值expect，如果相等，则将当前值更新为update，并返回true；否则返回false。

Unsafe类

Unsafe类是Java中用于实现CAS操作的核心类。Unsafe类提供了对底层硬件的直接访问，能够执行一些不安全的操作，如直接操作内存、创建对象等。

Unsafe类中的compareAndSwapInt方法用于实现CAS操作：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

compareAndSwapInt方法会比较对象o在偏移量offset处的值与预期值expected，如果相等，则将该值更新为x，并返回true；否则返回false。

乐观锁的实现

版本号机制

版本号机制是一种常见的乐观锁实现方式。在版本号机制中，每个数据记录都会有一个版本号字段。每次更新数据时，都会检查当前版本号是否与预期版本号一致。如果一致，则更新数据并将版本号加1；否则，表示数据已被其他线程修改，更新失败。

以下是一个简单的版本号机制实现：

public class OptimisticLock {
    private int value;
    private int version;

    public OptimisticLock(int value, int version) {
        this.value = value;
        this.version = version;
    }

    public synchronized boolean update(int newValue, int expectedVersion) {
        if (this.version == expectedVersion) {
            this.value = newValue;
            this.version++;
            return true;
        }
        return false;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

    public int getVersion() {
        return version;
    }
}

在上述代码中，update方法会检查当前版本号是否与预期版本号一致。如果一致，则更新数据并将版本号加1；否则，返回false表示更新失败。

CAS实现乐观锁

CAS机制也可以用于实现乐观锁。通过CAS操作，可以在更新数据时检查是否有冲突。如果CAS操作成功，则表示没有冲突，更新成功；否则，表示有冲突，更新失败。

以下是一个简单的CAS实现乐观锁的示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class OptimisticLockWithCAS {
    private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);
    private AtomicInteger version = new AtomicInteger(0);

    public boolean update(int newValue, int expectedVersion) {
        if (version.compareAndSet(expectedVersion, expectedVersion + 1)) {
            value.set(newValue);
            return true;
        }
        return false;
    }

    public int getValue() {
        return value.get();
    }

    public int getVersion() {
        return version.get();
    }
}

在上述代码中，update方法会通过CAS操作检查当前版本号是否与预期版本号一致。如果一致，则更新数据并将版本号加1；否则，返回false表示更新失败。

CAS的应用场景

计数器

CAS操作常用于实现计数器。通过CAS操作，可以实现对计数器的原子更新，避免了加锁的开销。

以下是一个简单的计数器实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        int oldValue;
        int newValue;
        do {
            oldValue = count.get();
            newValue = oldValue + 1;
        } while (!count.compareAndSet(oldValue, newValue));
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

在上述代码中，increment方法通过CAS操作实现对计数器的原子更新。如果CAS操作失败，则表示有其他线程修改了计数器的值，需要重试。

非阻塞算法

CAS操作常用于实现非阻塞算法。非阻塞算法通过CAS操作来实现对共享数据的原子更新，避免了加锁的开销。

以下是一个简单的非阻塞栈实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class NonBlockingStack<T> {
    private AtomicReference<Node<T>> top = new AtomicReference<>();

    public void push(T item) {
        Node<T> newHead = new Node<>(item);
        Node<T> oldHead;
        do {
            oldHead = top.get();
            newHead.next = oldHead;
        } while (!top.compareAndSet(oldHead, newHead));
    }

    public T pop() {
        Node<T> oldHead;
        Node<T> newHead;
        do {
            oldHead = top.get();
            if (oldHead == null) {
                return null;
            }
            newHead = oldHead.next;
        } while (!top.compareAndSet(oldHead, newHead));
        return oldHead.item;
    }

    private static class Node<T> {
        private final T item;
        private Node<T> next;

        public Node(T item) {
            this.item = item;
        }
    }
}

在上述代码中，push和pop方法通过CAS操作实现对栈的原子更新。如果CAS操作失败，则表示有其他线程修改了栈的状态，需要重试。

并发集合

Java中的并发集合（如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等）通常使用CAS操作来实现无锁并发。通过CAS操作，可以实现对集合的原子更新，避免了加锁的开销。

以下是一个简单的并发队列实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class ConcurrentQueue<T> {
    private static class Node<T> {
        private final T item;
        private AtomicReference<Node<T>> next;

        public Node(T item) {
            this.item = item;
            this.next = new AtomicReference<>(null);
        }
    }

    private AtomicReference<Node<T>> head = new AtomicReference<>(new Node<>(null));
    private AtomicReference<Node<T>> tail = new AtomicReference<>(head.get());

    public void enqueue(T item) {
        Node<T> newNode = new Node<>(item);
        Node<T> oldTail;
        Node<T> oldNext;
        do {
            oldTail = tail.get();
            oldNext = oldTail.next.get();
            if (oldNext != null) {
                tail.compareAndSet(oldTail, oldNext);
            } else {
                if (oldTail.next.compareAndSet(null, newNode)) {
                    tail.compareAndSet(oldTail, newNode);
                    return;
                }
            }
        } while (true);
    }

    public T dequeue() {
        Node<T> oldHead;
        Node<T> newHead;
        T item;
        do {
            oldHead = head.get();
            newHead = oldHead.next.get();
            if (newHead == null) {
                return null;
            }
            item = newHead.item;
        } while (!head.compareAndSet(oldHead, newHead));
        return item;
    }
}

在上述代码中，enqueue和dequeue方法通过CAS操作实现对队列的原子更新。如果CAS操作失败，则表示有其他线程修改了队列的状态，需要重试。

CAS的局限性

ABA问题

ABA问题是CAS操作的一个常见问题。ABA问题指的是在CAS操作中，内存位置的值从A变为B，再变回A，CAS操作会认为值没有发生变化，从而导致错误的结果。

例如，假设有一个共享变量value，初始值为A。线程1读取value的值为A，准备将其更新为B。在更新之前，线程2将value的值从A变为B，再变回A。此时，线程1执行CAS操作，发现value的值仍然是A，认为没有发生变化，于是将value更新为B。然而，实际上value的值已经发生了变化，这可能导致错误的结果。

自旋开销

在高并发场景下，CAS操作可能会失败多次，导致线程进入自旋状态，增加了CPU的开销。如果CAS操作失败次数过多，可能会导致系统的性能下降。

只能保证一个共享变量的原子操作

CAS操作只能保证对一个共享变量的原子操作，无法保证多个共享变量的原子操作。如果需要保证多个共享变量的原子操作，需要使用其他机制（如锁）来实现。

解决CAS的局限性

解决ABA问题

解决ABA问题的常见方法是使用版本号或时间戳。在每次更新数据时，不仅比较值是否相等，还比较版本号或时间戳是否一致。如果版本号或时间戳不一致，则表示数据已经发生了变化，CAS操作失败。

以下是一个使用版本号解决ABA问题的示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABAProblemSolution {
    private AtomicStampedReference<Integer> value = new AtomicStampedReference<>(0, 0);

    public boolean update(int newValue, int expectedValue, int expectedStamp) {
        return value.compareAndSet(expectedValue, newValue, expectedStamp, expectedStamp + 1);
    }

    public int getValue() {
        return value.getReference();
    }

    public int getStamp() {
        return value.getStamp();
    }
}

在上述代码中，AtomicStampedReference类通过版本号来解决ABA问题。每次更新数据时，不仅比较值是否相等，还比较版本号是否一致。

减少自旋开销

减少CAS操作的自旋开销的常见方法是使用退避策略。退避策略指的是在CAS操作失败后，线程等待一段时间再重试，而不是立即重试。通过退避策略，可以减少CAS操作的自旋开销，提高系统的性能。

以下是一个使用退避策略减少自旋开销的示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class BackoffStrategy {
    private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        int oldValue;
        int newValue;
        int backoffTime = 1;
        do {
            oldValue = value.get();
            newValue = oldValue + 1;
            if (value.compareAndSet(oldValue, newValue)) {
                return;
            }
            try {
                Thread.sleep(backoffTime);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            backoffTime *= 2;
        } while (true);
    }

    public int getValue() {
        return value.get();
    }
}

在上述代码中，increment方法在CAS操作失败后，线程等待一段时间再重试。通过退避策略，可以减少CAS操作的自旋开销。

多个共享变量的原子操作

如果需要保证多个共享变量的原子操作，可以使用锁机制来实现。锁机制可以保证多个共享变量的原子操作，但会增加系统的开销。

以下是一个使用锁机制保证多个共享变量的原子操作的示例：

public class MultipleVariables {
    private int value1;
    private int value2;
    private final Object lock = new Object();

    public void update(int newValue1, int newValue2) {
        synchronized (lock) {
            value1 = newValue1;
            value2 = newValue2;
        }
    }

    public int getValue1() {
        synchronized (lock) {
            return value1;
        }
    }

    public int getValue2() {
        synchronized (lock) {
            return value2;
        }
    }
}

在上述代码中，update方法通过锁机制保证对value1和value2的原子更新。

总结

乐观锁和CAS机制是Java中实现无锁并发的重要手段。乐观锁通过版本号或CAS机制来实现对共享数据的原子更新，避免了加锁的开销。CAS机制通过比较并交换的方式来实现原子操作，适用于低冲突的场景。

然而，CAS机制也存在一些局限性，如ABA问题、自旋开销和只能保证一个共享变量的原子操作。通过使用版本号、退避策略和锁机制，可以有效解决CAS机制的局限性。

在实际开发中，应根据具体的应用场景选择合适的锁机制。对于低冲突的场景，乐观锁和CAS机制能够有效提高系统的并发性能；对于高冲突的场景，悲观锁可能更为合适。

参考文献

1. Java Concurrency in Practice
2. Java并发编程实战
3. Java并发编程的艺术
4. Java并发编程：CAS操作
5. Java中的CAS机制