并发:CAS

乐观锁、悲观锁

  • 悲观锁(Pessimistic Lock):

每次拿数据的时候都会担心会被别人修改(疑心重很悲观),所以每次在拿数据的时候都会上锁。确保自己使用的过程中不会被别人访问,自己使用完后再解锁。 期间需要访问该数据的都会等待。

  • 乐观锁(Optimistic Lock):

每次拿数据的时候都完全不担心会被别人修改(心态好很乐观),所以每次在拿数据的时候都不会上锁。但是在更新数据的时候去判断该期间是否被别人修改过(使用版本号等机制),期间该数据可以随便被其他人读取。

独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是一和更轻量级的同步机制,因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和线程调度等操作,但是volatile变量也存在一些局限:不能用于构建原子的复合操作,因此当一个变量依赖旧值时就不能使用volatile变量。

在java中,下列操作是原子操作:

  • all assignments of primitive types except for long and double
  • all assignments of references
  • all operations of java.concurrent.Atomic* classes
  • all assignments to volatile longs and doubles

为什么long型赋值不是原子操作呢?例如:long foo = 65465498L;实际上java会分两步写入这个long变量,先写32位,再写后32位。这样就线程不安全了。如果改成下面的就线程安全了:

private volatile long foo;

因为volatile内部已经做了synchronized.

自旋锁

何谓自旋锁?它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实,自旋锁与互斥锁比较类似,它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁,还是自旋锁,在任何时刻,最多只能有一个保持者,也就说,在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁,如果资源已经被占用,资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁,"自旋"一词就是因此而得名。

CAS

要实现无锁(lock-free)的非阻塞算法有多种实现方法,其中 CAS(比较与交换,Compare and swap) 是一种有名的无锁算法。CAS, CPU指令,在大多数处理器架构,包括IA32、Space中采用的都是CAS指令,CAS的语义是“我认为V的值应该为A,如果是,那么将V的值更新为B,否则不修改并告诉V的值实际为多少”,CAS是项 乐观锁 技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。CAS无锁算法的C实现如下:

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval) 
{
  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval) 
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;
}

在JDK1.5之前,如果不编写明确的代码就无法执行CAS操作,在JDK1.5中引入了底层的支持,在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS的操作,并且JVM把它们编译为底层硬件提供的最有效的方法,在运行CAS的平台上,运行时把它们编译为相应的机器指令,如果处理器/CPU不支持CAS指令,那么JVM将使用自旋锁。因此,值得注意的是, CAS解决方案与平台/编译器紧密相关(比如x86架构下其对应的汇编指令是lock cmpxchg,如果想要64Bit的交换,则应使用lock cmpxchg8b。在.NET中我们可以使用Interlocked.CompareExchange函数) 。

在原子类变量中,如java.util.concurrent.atomic中的AtomicXXX,都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作,而在java.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接的使用了这些原子变量类。