Java樂觀鎖實現之CAS操作

介紹CAS操作前，我們先簡單看一下樂觀鎖 與 悲觀鎖這兩個常見的鎖概念。

悲觀鎖：

　　從Java多線程角度，存在着“可見性、原子性、有序性”三個問題，悲觀鎖就是假設在實際情況中存在着多線程對同一共享的競爭，所以在操作前先占有共享資源（悲觀態度）。因此，悲觀鎖是阻塞，獨占的，存在着頻繁的線程上下文切換，對資源消耗較大。synchronized就是悲觀鎖的一種實現。

樂觀鎖：

　　如名一樣，每次操作都認為不會發生沖突，嘗試執行，並檢測結果是否正確。如果正確則執行成功，否則說明發生了沖突，回退再重新嘗試。樂觀鎖的過程可以分為兩步：沖突檢測 和 數據更新。在Java多線程中樂觀鎖一個常見實現即：CAS操作。

 

CAS

　　CAS,(Compare-And-Swap,比較和替換)。其具有三個操作數：內存地址V，舊的預期值A，新的預期值B。當V中的值和A相同時，則用新值B替換V中的值，否則不執行更新。（PS：上述的操作是原子性的，因為過程是：要么執行更新，要么不更新）

　　在JDK1.5新增的java.util.concurrent(J.U.C) 就是建立在CAS操作上的。CAS是一種非阻塞的實現（PS：樂觀鎖采用一種 “自旋鎖”的技術，其原理是：如果存在競爭，則沒有獲得資源的線程不立即掛起，而是采用讓線程執行一個忙循環（自旋）的方式，等待一段時間看是否能獲得鎖，如果超出規定時間再掛起），所以J.U.C在性能上有很大的提升。下面以J.U.C下的AtomicInteger的部分源碼為例，看一下CAS的過程究竟如何。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private volatile int value;

    public final int get() {
        return value;
    }

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
　　// CAS操作
    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

}

　　以上截取自AtomicInteger的部分源碼。CAS操作的核心就在 getAndIncrement()方法中，在此方法調用的compareAndSet(int expect , int update) 的兩個參數可知，當current值符合expect時，用next替換了current。如果不符合，則在for中不斷嘗試知道成功為止。在這里的步驟，就相當於一個原子性的 ++i 了。（PS: 單純的 ++i 不具備原子性）

　　其中，compareAndSet方法的實現得益於硬件的發展：多條步驟的操作行為可以通過一條指令完成。（在此是利用JNI來完成CPU指令的操作）

　

 

CAS存在的問題

1. ABA問題

　ABA問題值，內存地址V的值是A，線程one從V中取出了A，此時線程two也從V中取出了A，同時將A修改為B，但是又因為一些原因修改為A。而此時線程one仍看到V中的值為A，認為沒有發生變化，此為ABA問題。解決ABA問題一種方式是通過版本號（version）。每次執行數據修改時，都需要帶上版本號，如：1A，2B，3A。通過比較版本號可知是否有發生過操作，也就解決了ABA問題。　　

2. 未知的等待時長

　　因為CAS采取失敗重試的策略，所以不確定會發生多少次循環重試。如果在競爭激烈的環境下，其重試次數可能大幅增加。此時效率也就降低了。

 

總結

　　樂觀鎖、悲觀鎖是一種思想，CAS是樂觀鎖的一種實現。前者是非阻塞同步，非獨占，而后者是阻塞同步，獨占鎖。在可預知的情況下，如果競爭沖突發生較少，樂觀鎖是個不錯的選擇。而如果競爭激烈，悲觀鎖應得到考慮。

　　關於對象的創建分配內存，因為多線程分配對象空間並不安全，如分配A,B兩對象，當給A分配內存時，指針還沒修改，就切換到給B分配同一塊內存，引發錯誤。其中一種解決方法就是通過底層的CAS操作來保證分配的原子性。

 

　

如有錯誤，敬請斧正，以防誤導他人。

參考：http://www.importnew.com/20472.html