JavaEE——常见的锁策略、CAS、synchronized 原理(八股)
文章目录
- 一、常见的锁策略
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- 1.乐观锁 & 悲观锁
- 2.轻量级锁 & 重量级锁
- 3.自旋锁 & 挂起等待锁
- 4.互斥锁 & 读写锁
- 5. 公平锁 & 非公平锁
- 二、CAS
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- 1、什么是 CAS
- 2. CAS 的应用场景
- 2.实现自旋锁
- 3. CAS 中的 ABA 问题
- 三、 Synchronized 原理
一、常见的锁策略
当前此处介绍的这些所策略不仅仅局限于 Java，任何与锁相关的特性都与这些相关。
1.乐观锁 & 悲观锁
这里要注意的是，此处说的锁并不是单指一把锁，而是一类锁。
- 乐观锁： 通常假设不会发生冲突，只有在数据提交更新时才会对冲突进行检测，如有冲突就会返回信息，交给用户处理。
- 悲观锁： 通常假设最坏的情况，冲突一直存在，认为每次获取数据是都会有人修改，所以每次获取数据时都会加锁。
总的来讲，就是两者对锁的竞争激烈程度的认知不同。
synchronized 既是一个悲观锁，又是一个乐观锁。
默认是乐观锁，但是发现所竞争比较激烈时，就会变成悲观锁。
2.轻量级锁 & 重量级锁
- 轻量级锁： 轻量级加锁的开销较小，效率更高。(进行了少量内核态用户切换)
- 重量级锁： 重量级加锁的开销较大，效率更低。(进行了大量内核态用户切换)
这里说明一个比较常见的情况(多数情况下)：
多数情况下，乐观锁，是一个轻量级锁。
悲观锁，是一个重量级锁。
synchronized 既是一个轻量级锁，又是一个重量级锁。
默认是轻量级锁，当锁竞争比较激烈时，就会转换为重量级锁。
3.自旋锁 & 挂起等待锁
首先说明一下这两类锁的特性;
自旋锁，是一种典型的轻量级锁。
挂起等待锁，是一种典型的重量级锁。
下面我通过举例来解释两类锁的特点：
首先设想一个场景，这里我们邀请三为人选，分别是： 喜羊羊，美羊羊，沸羊羊。
此时，沸羊羊 向 美羊羊 表白(尝试对美羊羊加锁)，但是，美羊羊说，沸羊羊你是个好人，但是我有男朋友了(说明此时 喜羊羊 对美羊羊已经加锁)
呢么，沸羊羊想要上位，就只能等待(锁释放)，于是有下面两种。
- 针对自旋锁： 每天都去问候美羊羊，时刻关心她，一但她和喜羊羊分手，可以第一时间得知。快速尝试获取锁，并建立关系。
很明显，自旋锁的形式，占用了大量的资源。 - 针对挂起等待锁： 沸羊羊被婉拒后，暗下决心，表示我愿意等，只要你幸福开心，我就躲起来不打扰你，如果哪一天想起我，你就告诉我。
这样就非常不确定，当 美羊羊 分手了，可能想起来沸羊羊，求安慰。但是，大概率根本不会想到。
所以对于挂起等待锁，当真正被唤醒的时候就可能已经沧海桑田了。但是优点也就是相对节省资源。
synchronized 这里的轻量级锁，是基于自旋锁的形式实现。
synchronized 这里的重量级锁，是基于挂起等待锁实现的。
4.互斥锁 & 读写锁
- 互斥锁： 就是提供 加锁 和 解锁 两个操作。当一个线程加锁了，另一个线程也尝试加锁就会阻塞等待。
- 读写锁： 提供三种操作
1.针对读加锁
2.针对写加锁
3.解锁
上面的三种操作，针对的是多线程对同一个变量并发写操作，读操作没有线程安全问题。
即就是，读锁与读锁之间没有互斥，写锁与写锁之间存在互斥，写锁与读锁之间存在互斥。
synchronized 不是读写锁
5. 公平锁 & 非公平锁
在这里，我们将公平定义为先来后到
同样，这里可以设定一个场景，此时假设美羊羊分手了。
公平锁： 当美羊羊分手后，由等待队列中最早的舔狗上位。(阻塞队列中的元素根据顺序依次获取锁)
- 非公平锁： 三个人都不等了，开始上去争抢，各凭本事。(阻塞队列中的元素竞争获取锁)
synchronized 是非公平锁。
二、CAS
1、什么是 CAS
CAS：全称为Compare and swap，字面意思: 比较并交换
假设内存中的数据 V，旧的预期值 A，需要修改的新值 B。
- 比较 A 和 V 的值是否相同。(比较)
- 若比较的值相同，将 B 写入 V。(交换)
- 返回操作是否成功。
如图所示：
这里需要注意的是，CAS 的这个过程，并非是一段代码实现，而是通过 一条 CPU 指令实现。
也就是说 CAS 操作是原子性的，这样就可以在一定程度上回避线程安全问题。
2. CAS 的应用场景
- 实现原子类
因为是原子类，真实的 CAS 是一个原子硬件指令来完成的，实现的是 i++ 这样的操作，这里只能使用伪代码来辅助理解，如图：
如上图所示，设定两个线程分别实现自增。
此时假设线程1 优先抢占CPU
此时，线程2进入 CPU
最后返回线程各自的 oldvalue 即可！
总的来说，CAS 就是 CPU 提供给我们的一种特殊指令，通过这个指令，可以再一定程度上处理线程安全问题。
2.实现自旋锁
同样，自旋锁也是以伪代码的形式展现。如图所示：
3. CAS 中的 ABA 问题
什么是 ABA 问题
我们已知，CAS 在运行中，就是检查 value 和 oldvalue 是否一致。如果一致，就视为 value 的值中途没有被修改过，所以下一步交换没有问题。
需要注意的是这里的 “一致”，可能是没有改过，也可能是 改过，但是又还原回来了。
通俗来讲，就是，我买了个手机，这个手机可能是新机，也可能是翻新机。这里我们不专业，无法区分！
ABA 这样的问题，在大部分情况下影响都不大。但是，仍然有极端情况不容忽视，问题如下：
假设到 ATM 上取钱，在取钱的时候，按下取钱键的一瞬间，机器故障卡了，此时我又不耐烦的多按了几下，此时就可能产生 bug，造成重复扣款的情况，如图：
解决方案
给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.
- CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
- 真正修改的时候,
1.如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
2.如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).
三、 Synchronized 原理
目前，我们知道 synchronized 的最基本用法是，两个线程针对同一个对象加锁，会产生阻塞等待。
对于 synchronized 内部，其实还有很多优化机制，存在的目的就是为了让锁更高效。
- 锁升级/锁膨胀
当代码执行到 synchronized 代码块中实现加锁可能会经历下面几个过程，如图：
- 偏向锁： 进行加锁时，首先会进入到偏向锁这个状态。
这里并不是真正的加锁，而是先占一个位置，如有需要就真加锁，无需要就放弃。 - 轻量级锁： 当发生锁竞争的时候，就会从偏向锁升级为轻量级锁。
此时 synchronized 会通过 自旋 的方式进行加锁。 - 重量级锁： 在 synchronized 进行自旋时，内部有个计数器，当自旋到一定时间后，就会自动升级成重量级锁。
此时锁的类型是 挂起等待锁 ，是基于操作系统原生的 API 进行加锁了。
呢么有个问题，尽然能实现锁升级，呢么可不可以降级？
答案是不行。 在 JVM 的主流实现中，只有锁升级，没有锁降级。只要是锁对象，一旦被升级，就不能再回头了。
- 消除锁
编译器的智能判定，看当前的代码是否真的需要加锁，如果不需要，但是程序员加了，就自动将锁消除。 - 锁粗化
锁的粒度：synchronized 所包含的代码越多，粒度就越粗，包含的越少，粒度就越细。
通常情况下，一般认为锁的粒度细一点较好。
对于这里的内容，本人整理的十分有限，不足的地方还希望大家多多指点。