Java的鎖機(jī)制:synchronized和CAS詳解
提到Java的知識(shí)點(diǎn)一定會(huì)有多線程，JDK版本不斷的更迭很多新的概念和方法也都響應(yīng)提出，但是多線程和線程安全一直是一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。比如說我們一入門就學(xué)習(xí)的synchronized怎么個(gè)實(shí)現(xiàn)和原理，還有總是被提到的CAS是啥，他和synchronized關(guān)系是啥？這里大概會(huì)讓你對(duì)這些東西有一個(gè)認(rèn)識(shí)。
一 為什么要用鎖
我們使用多線程肯定是為了提高效率，壓榨硬件的性能提高效率，假設(shè)多一個(gè)線程相當(dāng)于多一個(gè)人干活，但是有時(shí)候人多了就不是很好管理，可能出現(xiàn)問題。
比如我現(xiàn)在搞一個(gè)多線程的demo，我的本意是每個(gè)線程都高呼“ZPNB！”，我寫下了如下的代碼。
public class ThreadDemo implements Runnable{
@Test
public void testThread() {
System.out.println("大聲告訴我：");
ThreadDemo demo = new ThreadDemo();
Thread threadOne = new Thread(demo,"張三:ZPNB");
Thread threadTwo = new Thread(demo,"李四:ZPNB");
Thread threadThree = new Thread(demo,"王二麻子:ZPNB");
Thread threadFour = new Thread(demo,"趙四:ZPNB");
threadOne.start();
threadTwo.start();
threadThree.start();
threadFour.start();
}
@Override
public void run() {
// synchronized (this){
for( int i = 0; i < 10 ;i++ ){
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
//這里設(shè)置0是因?yàn)镴unit的限制你設(shè)置長(zhǎng)了，他就執(zhí)行一段時(shí)間就不執(zhí)行了
Thread.sleep(0);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// }
}
沒有加鎖的情況是這樣的，看起來很亂我希望他們每個(gè)人都喊十遍然后下一個(gè)人，顯然下面的結(jié)果不滿意
大聲告訴我： 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 張三:ZPNB 李四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB
但是如果我把synchronized的注釋取消就變成了我想要的依次每人喊十遍
大聲告訴我： 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 張三:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 趙四:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 王二麻子:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB 李四:ZPNB
這就突出了鎖的重要性，我們希望有些線程能按照我們希望的一個(gè)順序依次來執(zhí)行，而不是先到先得的。
二 synchronized怎么實(shí)現(xiàn)的
實(shí)際上每一個(gè)對(duì)象實(shí)際都擁有一個(gè)叫做監(jiān)視器monitor的東西，線程只有獲得了這個(gè)監(jiān)視器才能才能進(jìn)入同步塊和同步方法，如果沒有獲取到監(jiān)視器的線程將會(huì)被阻塞在同步塊和同步方法的入口處，具體過程如下圖：
那如果沒獲取到監(jiān)視器怎么辦，有個(gè)同步隊(duì)列的東西，你沒得到監(jiān)視器就等一等，等上一個(gè)獲取監(jiān)視器的exit推出監(jiān)視器你再根據(jù)隊(duì)列順序去再獲取，當(dāng)然可能在這個(gè)再獲取的過程碰到一個(gè)“新來的”沒進(jìn)隊(duì)列直接跟你搶，你還沒搶過，那你就還要重復(fù)之前的等待過程。
其實(shí)這里還涉及一個(gè)鎖的“happen before”的概念（“ A hapen-bfore B，那么 A 的結(jié)果對(duì) B 是可見的”），就是上一個(gè)線程如果對(duì)某些值有改寫，后一個(gè)應(yīng)該在這個(gè)基礎(chǔ)上改寫的原則，假設(shè)一個(gè)計(jì)算程序，值都改了，新的線程你還在拿原先的值再去計(jì)算是不對(duì)的，應(yīng)該是在新的值上面再去做操作，這樣多線程協(xié)作才有實(shí)際意義。
以下是關(guān)于synchronized作用范圍（基本是實(shí)際對(duì)象或者是類對(duì)象，如果你是類對(duì)象的話，那你new多少個(gè)實(shí)例對(duì)象還是被鎖的。）
三 CAS來者何人
CAS突然這個(gè)概念出來作為線程安全的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式出現(xiàn)，那它和synchronized是一個(gè)什么樣的關(guān)系呢？
實(shí)際二者應(yīng)該是同級(jí)的概念，大家都是鎖，synchronized是悲觀鎖，基本就是來一個(gè)線程就是鎖起來，阻塞同步的。認(rèn)為任何操作都有可能是沖突，所以按照最壞的情況來處理，線程競(jìng)爭(zhēng)阻塞了就阻塞，阻塞結(jié)束了就喚醒阻塞的進(jìn)程。
CAS就是compare and swap ，不是直接鎖起來，大概意思就是：
CAS(V,O,N)，包含三個(gè)值分別為：V 內(nèi)存地址存放的實(shí)際值；O 預(yù)期的值（舊值）；N 更新的新值。當(dāng)V和O相同時(shí)，也就是說舊值和內(nèi)存中實(shí)際的值相同表明該值沒有被其他線程更改過，即該舊值O就是目前來說最新的值了，自然而然可以將新值N賦值給V。反之，V和O不相同，表明該值已經(jīng)被其他線程改過了則該舊值O不是最新版本的值了，所以不能將新值N賦給V，返回V即可。當(dāng)多個(gè)線程使用CAS操作一個(gè)變量是，只有一個(gè)線程會(huì)成功，并成功更新，其余會(huì)失敗。失敗的線程會(huì)重新嘗試，當(dāng)然也可以選擇掛起線程
CAS對(duì)于線程競(jìng)爭(zhēng)沖突的情況相對(duì)來說就溫柔一些，他會(huì)有自己的重試機(jī)制，就是這次不行我等一會(huì)再去看看，而不是直接阻塞掛起再喚醒的狀態(tài)，這樣太耗費(fèi)時(shí)間了。
在Java.util,ConCurrent包里面很多都是用CAS來處理同步的問題，而不是直接來個(gè)synchronized來修飾。
四synchronized和CAS孰優(yōu)孰劣
實(shí)際上現(xiàn)在來看，還真不好說，因?yàn)樵贑AS的方案提出，實(shí)際上synchronized也是不斷的進(jìn)步的。不能說CAS一定比synchronized好。
比如說CAS也會(huì)有自己的問題，最主要的有：ABA，自旋時(shí)間過長(zhǎng)和只能保證一個(gè)共享變量的原子操作，雖然說都要相關(guān)的解決方案：
（1）ABA就是兩個(gè)線程第一個(gè)線程將最開始的A值改成B再改成A，第二個(gè)線程接手直接CAS，會(huì)得不到之前的轉(zhuǎn)換的過程，解決方式跟數(shù)據(jù)庫(kù)一樣加一個(gè)版本號(hào)1A 2B 3C解決。
（2）自旋時(shí)間過長(zhǎng)就是線程競(jìng)爭(zhēng)沖突，不停地重試，實(shí)際是一個(gè)循環(huán)操作，這個(gè)循環(huán)可能要等好長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致所謂的自旋時(shí)間過長(zhǎng)。
（3）只能操作一個(gè)共享原子，就讓這個(gè)原子變成一個(gè)對(duì)象，把要共享的都塞進(jìn)去。
synchronized自身也在不斷地優(yōu)化自身，甚至也借鑒了CAS的思想在1.6里面。為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”，在Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)。
偏向鎖（通過線程ID來看對(duì)象頭和棧幀里面查找線程ID（記錄的線程ID就是偏向的線程ID），有就獲取沒有就嘗試CAS設(shè)置自己為偏向的線程）
具體如下：
當(dāng)一個(gè)線程訪問同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡(jiǎn)單地測(cè)試一下對(duì)象頭的Mark Word里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖。如果測(cè)試失敗，則需要再測(cè)試一下Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖），如果沒有設(shè)置，則使用CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖；如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。
輕量級(jí)鎖
（替換鎖的指針替換成就獲得鎖，替換不成就自旋循環(huán)去找機(jī)會(huì)替換）
具體如下：
線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中。然后線程嘗試使用CAS將對(duì)象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。
重量級(jí)鎖
（monitor監(jiān)視器鎖的實(shí)現(xiàn)，最重的一步，因?yàn)樯婕暗接脩魬B(tài)和系統(tǒng)態(tài)切換。）
重量級(jí)鎖是依賴對(duì)象內(nèi)部的monitor鎖來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級(jí)鎖之后，會(huì)把等待想要獲得鎖的線程進(jìn)行阻塞，被阻塞的線程不會(huì)消耗cup。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線程時(shí)，都需要操作系統(tǒng)來幫忙，需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間。
這么看來synchronized并不是那么不堪，未必你用CAS實(shí)現(xiàn)的就一定在某些環(huán)境比synchronized這個(gè)“元老”強(qiáng)。
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！
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