Java 乐观锁和悲观锁

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Java 乐观锁和悲观锁

1、悲观锁

总是假设最坏的情况，每次在去获取共享数据的时候都认为别人会修改，所以每次都在获取数据的时候加锁。 传统的关系型数据库里就用到很多这种锁，比如行锁，表锁、读锁、写锁等都是在操作之前先上锁，比如java中Synchronized关键字的实现也是悲观锁。

悲观锁存在的问题

在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延迟，引起性能问题一个线程持有锁会导致其他需要此锁的线程挂起

2、乐观锁

认为数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突，则返回错误信息，需要用户去决定如何操作。乐观锁实现的典型是CAS（Compare and Swap）

2.1 CAS

具有原子特性
CAS是乐观锁的实现技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量，只有一个线程能更新变量的值，而其他的线程都失败，失败的线程不会被挂起，而是被告知这次竞争失败了，并可以再次进行尝试。

CAS操作中涉及三个操作数：
● 需要读写的内存位置（V）
● 需要比较的预期原值（A）
● 拟写入的新值（B）

如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动的将该位置值更新为B，否则处理器不做任何处理。
第一步： 获取位置V的值A
第二步： 将获取的值A和位置V的内容进行比较，如果相等，认为没有其他线程修改该位置，即不存在并发竞争，就可以将新值B写入位置V。如果不相等，说明存在其他的线程在对该位置进行并发操作。不能直接修改，继续跳转第一步，获取位置V的值，再进行比较，直至相等再修改为B。

2.2 模拟CAS算法

CompareAndSwap类

public class CompareAndSwap {
    private int value;

    //获取内存值
    public synchronized int getValue() {
        return value;
    }

    //比较并交换
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        //如果内存值和预期值一致，就替换
        if (oldValue == expectedValue) {
            this.value = newValue;
        }

        return oldValue;
    }

    //设置调用比较并交换， 看期望值和原来的值是否一致
    public synchronized boolean compareAndSet(int expectValue, int newValue) {
        return expectValue == compareAndSwap(expectValue, newValue);
    }
}

TestCAS类

import java.util.Random;

public class TestCAS {
    public static void main(String[] args) {
        CompareAndSwap compareAndSwap = new CompareAndSwap();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Random random = new Random();
                    int expectedValue = compareAndSwap.getValue();
                    int newValue = random.nextInt(100);
                    boolean b = compareAndSwap.compareAndSet(expectedValue, newValue);
                    System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + ",预期值：" + expectedValue + ",待写入值："  + newValue + ",操作结果：" + b);
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行结果：

2.3 JUC

在JDK 1.5中新增了java.util.concurrent（J.U.C）建立在CAS之上，相对于Synchronized是一种线程阻塞处理，CAS是非阻塞的一种常见实现，及线程即使没有获取到变量，也不会进入到阻塞状态。就是在不使用锁的情况下来保证线程安全，在JUC下存在如AtomicInteger为例，其中一些++i操作是安全性操作，如getAndIncrement方法。

代码示例：

public class TestJUC {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
        for (int i = 0; i < 10; i++)
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    int i = atomicInteger.getAndIncrement();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                            "，预期值：" + i);
                }
            }).start();
    }
}

运行结果：

2.4 CAS中的ABA问题

CAS会引起ABA的问题，假如存在如下执行序列：

1、线程1从内存中V取出A
2、线程2从内存中V取出A
3、线程2进行了一些操作，将B写入位置V。
4、线程2将A再次写入位置V
5、线程1进行CAS操作，发现位置V依然是A，进行修改操作并成功
6、尽管线程1的CAS操作成功，但不代表这个过程没有问题，对于线程1，线程2的修改已经丢失了。

一个链表ABA的问题：

1、 现有一个单向链表实现的堆栈，栈顶为A。这时线程1已经知道A.next是B，希望通过CAS操作将栈顶替换为B，线程1执行compareAndSwap（A,B）
2、 在线程1执行上面指令之前，线程2介入，将A、B出栈，在依次入栈D、C、A，而对象B次数处于游离状态。
3、 此时线程1执行CAS操作，检测栈顶认为A，所以CAS成功，栈顶是B，但实际B.next为null,此时堆栈中只有一个B元素，C和D组成的链表就不存在在堆栈中，C、D被丢弃了

ABA问题的解决

ABA问题的解决思路就是使用版本号，在变量上追加一个版本号，每次变量变更把版本号加1，那么A-B-A就回去变成1A-2B-3A。

2.5 使用CAS会引发的问题

使用CAS好处就是被使用锁的开销要小，但存在问题

• ABA的问题
  ABA的问题的解决方案是加版本号解决
• 循环时间开销大
  如果CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销
• 只能保证一个共享变量的原子操作
  当对一个共享变量执行操作时，可以使用循环CAS的方式保证原子操作，但对于多个共享变量，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就需要借助于锁来实现