Java中的樂觀鎖——無鎖策略

LJWLgl發表於2018-11-25
Java

題主在閱讀《實戰Java高併發程式設計》一書時，瞭解到了Java無鎖的相關概念，在此記錄下來以加深對其的理解，Java中的鎖分為兩種即為悲觀鎖和樂觀鎖，那麼何為悲觀鎖和樂觀鎖呢？ 點選檢視原文

樂觀鎖與悲觀鎖

悲觀鎖是我們程式碼經常用到的，比如說Java中的synchronized和ReentrantLock等獨佔鎖就是悲觀鎖思想的實現，它總是假設別的執行緒在拿資料的時候都會修改資料，所以在每次拿到資料的時候都會上鎖，這樣別的執行緒想拿這個資料就會被阻塞直到它拿到鎖。
樂觀鎖與之相反，它總是假設別的執行緒取資料的時候不會修改資料，所以不會上鎖，但是會在更新的時候判斷有沒有更新過資料。也就是，樂觀鎖（無鎖）使用一種比較交換的技術（CAS Compare And Swap）來鑑別執行緒衝突，一旦檢測到衝突的產生，就重試當前操作直到沒有衝突的產生。
與鎖相比，使用比較交換（CAS）會使程式碼看起來更加複雜一些。但由於其非阻塞性，它對死鎖問題天生免疫，並且執行緒之間的相互影響也遠遠比基於鎖的方式要小。更為重要的是，使用無鎖的方式完全沒有鎖競爭帶來的系統開銷，也沒有執行緒之間頻繁排程帶來的開銷，因此，它要比基於鎖的方式擁有更優越的效能。

樂觀鎖實現

樂視鎖的實現之一就是CAS演算法，CAS演算法的過程大致是這樣的：它包含三個引數CAS(V, E, N)。

  • V表示要更新的變數
  • E表示預期值
  • N表示新值 僅當V等於E的時候，才會把V的值設定成N，否則不會執行任何操作（比較和替換是一個原子操作）。如果V值和E值不相等，則說明有其他執行緒修改過V值，當前執行緒什麼都不做，最後返回當前V的真實值。CAS操作是抱著樂觀的態度進行的，它總是認為自己可以成功的完成操作。當多個執行緒同時使用CAS操作一個變數時，只有一個會成功更新，其餘都會失敗。失敗的執行緒不會被掛起，僅是被告知失敗，並且允許再次嘗試，當然也允許失敗的執行緒放棄操作。

樂觀鎖在JDK中的應用

在java.util.concurrent.atomic包下面的原子變數類就是使用了CAS來實現的，下面我們重點看一下CAS在該包下面的AtomicInteger類實際應用，該類提供下面幾個核心方法和屬性：

  • public final int incrementAndGet() // 當前值加1，返回舊值
  • public final int decrementAndGet() // 當前值減1，返回舊值
  • public volatile int value // AtomicInteger物件當前實際取值

incrementAndGet()和decrementAndGet()方法類似，我們只看一下incrementAndGet方法就好，JDK1.7與JDK1.8在實現incrementAndGet()方法有所區別（Java8中CAS的增強），下面給出的是在java8中的實現，可以看到incrementAndGet()實際呼叫的是sun.misc.Unsafe.getAndAddInt方法，Unsafe類可以理解為Java中指標，但是我們不可以直接使用，因為它是由Bootstrap類載入器載入，而非AppLoader載入。

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;  // 
}
複製程式碼

程式碼中的valueOffset代表value欄位在AtomicInteger物件中的偏移量（到物件頭部的偏移量），方便快速定位欄位。

public final int getAndAddInt(Object obj, long l, int i)
{
    int j;
    do
        j = getIntVolatile(obj, l);
    while(!compareAndSwapInt(obj, l, j, j + i));
    return j;
}
複製程式碼

傳入getAndAddInt方法的引數分別是obj(AtomicInteger物件)、l(物件內偏移量)、i(增加值)，可以看到getAndAddInt實際是一個迴圈，只有compareAndSwapInt返回true時，迴圈才能結束，並返回j(舊值)，下面是compareAndSwapInt方法簽名，其中前面兩個引數和傳入getAndAddInt方法引數一致，後面expected的值是通過getIntVolatile獲取的舊值，x是希望設定的新值。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expected, int x);
複製程式碼

與compareAndSwapInt方法類似，getIntVolatile()內部也是用原子操作獲取AtomicInteger物件的value值，下面是該方法的簽名

public native int getIntVolatile(Object obj, long l);
複製程式碼

CAS在JDK原始碼中應用廣泛，下面給出其餘的無鎖的類：

  • AtomicReference 無鎖的物件引用
  • AtomicStampedReference 帶有標誌的物件引用
  • AtomicIntegerArray 無鎖的陣列
  • AtomicIntegerFieldUpdater 無鎖的普通變數

樂觀鎖的問題

ABA問題
如果一個變數V初次讀取是A值，並且在準備賦值的時候也是A值，那就能說明A值沒有被修改過嗎？其實是不能的，因為變數V可能被其他執行緒改回A值，結果就是會導致CAS操作誤認為從來沒被修改過，從而賦值給V。 JDK 1.5以後提供了上文所說的AtomicStampedReference類來解決了這個問題，其中compareAndSet方法會首先檢查當前引用是否等於預期引用，其次檢查當前標誌是否等於預期標誌，如果都相等就會以原子的方式將引用和標誌都設定為新值。

自旋時間長
CAS自旋就是上文說的getAndAddInt()方法內部do-while迴圈，如果compareAndSwapInt一直未設定成功，do-while一直迴圈下去，會給CPU帶來非常大的執行開銷。網上給出執行方法如下，unchecked（還沒試過~）

如果JVM能支援處理器提供的pause指令那麼效率會有一定的提升，pause指令有兩個作用，第一它可以延遲流水線執行指令（de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出迴圈的時候因記憶體順序衝突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執行效率。

只能保證單個共享變數
CAS操作只對單個共享變數有用，涉及多個變數時無法使用CAS，同樣在JDK 1.5之後，提供了AtomicReference物件引用，可以多個變數放到一個AtomicReference物件裡。

使用場景

簡單的來說CAS適用於寫比較少的情況下（多讀場景，衝突一般較少），synchronized適用於寫比較多的情況下（多寫場景，衝突一般較多）

參考文件

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