JAVA 悲觀鎖 樂觀鎖

參考文章

Java中CAS詳解

一，悲觀鎖

悲觀鎖假定會發生并發沖突，屏蔽一切可能違反資料完整性的操作。

synchronized是一種獨占鎖，獨占鎖就是悲觀鎖的一種。悲觀鎖具有強烈的獨占和排他性，它對資料被外界修改持有保守态度。在整個資料處理過程中，将資料處在鎖定狀态。這往往會導緻以下三個問題：

（1）一個線程需要鎖，會導緻其他需要該鎖的線程挂起

（2）在多線程競争的情況下，加鎖，釋放鎖會導緻頻繁的上下文切換和排程延遲，導緻性能問題

（3）優先級高的線程等待一個優先級低的線程釋放鎖，會導緻優先級倒置，引起性能安全風險

二，樂觀鎖

樂觀鎖假設不會發生并發沖突，隻在送出操作時檢查是否違反資料完整性。

樂觀鎖采取更加寬松的加鎖機制，悲觀鎖往往依靠資料庫的鎖機制實作，以保證最大的獨占性，往往倒置性能問題（尤其對于長事務而言，會導緻其他線程長時間挂起）。樂觀鎖，大多是基于資料版本（ Version ）記錄機制實作。何謂資料版本？即為資料增加一個版本辨別，在基于資料庫表的版本解決方案中，一般是通過為資料庫表增加一個 “version” 字段來實作。讀取出資料時，将此版本号一同讀出，之後更新時，對此版本号加一。此時，将送出資料的版本資料與資料庫表對應記錄的目前版本資訊進行比對，如果送出的資料版本号大于資料庫表目前版本号，則予以更新，否則認為是過期資料。

樂觀并發政策需要“硬體指令集的發展”才能進行，因為我們需要操作和沖突檢測這兩個步驟具備原子性，靠什麼來保證呢？如果這裡再使用互斥同步來保證就失去意義了，是以我們隻能靠硬體來完成這件事情，硬體保證一個從語義上看起來需要多次操作的行為隻通過一條處理器指令就能完成。

CAS,compare and swap的縮寫,在java語言之前，并發就已經廣泛存在并在伺服器領域得到了大量的應用。是以硬體廠商老早就在晶片中加入了大量直至并發操作的原語，進而在硬體層面提升效率。在intel的CPU中使用cmpxchg指令。

在Java發展初期，java語言是不能夠利用硬體提供的這些便利來提升系統的性能的。而随着java不斷的發展,Java本地方法(JNI)的出現，使得java程式越過JVM直接調用本地方法提供了一種便捷的方式，因而java在并發的手段上也多了起來。而在Doug Lea提供的cucurenct包中，CAS理論是它實作整個java包的基石。

（1）CAS原理簡介

CAS 操作包含三個操作數 —— 記憶體位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。 如果記憶體位置的值與預期原值相比對，那麼處理器會自動将該位置值更新為新值 。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前傳回該 位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下将僅傳回 CAS 是否成功，而不提取目前 值。）CAS 有效地說明了“我認為位置 V 應該包含值 A；如果包含該值，則将 B 放到這個位置；否則，不要更改該位置，隻告訴我這個位置現在的值即可。” 通常将 CAS 用于同步的方式是從位址 V 讀取值 A，執行多步計算來獲得新 值 B，然後使用 CAS 将 V 的值從 A 改為 B。如果 V 處的值尚未同時更改，則 CAS 操作成功。類似于 CAS 的指令允許算法執行讀-修改-寫操作，而無需害怕其他線程同時 修改變量，因為如果其他線程修改變量，那麼 CAS 會檢測它（并失敗），算法 可以對該操作重新計算。

（2）CAS的目的

利用CPU的CAS指令，同時借助JNI來完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用類似的特性完成的。而整個J.U.C都是建立在CAS之上的，是以對于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。

（3）CAS存在的問題及解決方案

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問題。ABA問題，循環時間長開銷大和隻能保證一個共享變量的原子操作

ABA問題。因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本号。在變量前面追加上版本号，每次變量更新的時候把版本号加一，那麼A－B－A 就會變成1A-2B－3A。從Java1.5開始JDK的atomic包裡提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查目前引用是否等于預期引用，并且目前标志是否等于預期标志，如果全部相等，則以原子方式将該引用和該标志的值設定為給定的更新值。關于ABA問題參考文檔: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

循環時間長開銷大。自旋CAS如果長時間不成功（例如在競争比較激烈的情況下，多個線程都頻繁的修改某個值，可能會導緻新值總是無效），會給CPU帶來非常大的執行開銷。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，延遲的時間取決于具體實作的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環的時候因記憶體順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），進而提高CPU的執行效率。

隻能保證一個共享變量的原子操作。當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖，或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合并成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然後用CAS來操作ij。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裡來進行CAS操作