Java JUC（一）并发编程实现：锁CAS

JUC Java 并发包 高级并发工具集合是 Java 高性能并发编程的核心库包括线程池、锁、原子类和并发集合等让多线程开发更安全、高效、易维护。核心模块典型类线程池Executor, ExecutorService, ThreadPoolExecutor, ScheduledThreadPoolExecutor 线程管理与复用异步任务执行并发集合ConcurrentHashMap, ConcurrentLinkedQueue, CopyOnWriteArrayList 线程安全集合替代 synchronized 集合锁 同步器ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock, StampedLock, Semaphore, CountDownLatch, CyclicBarrier 提供更灵活高效的线程同步与互斥原子类AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference, AtomicReferenceArray 原子操作避免显式加锁工具类ThreadLocalRandom, ForkJoinPool, Phaser 提供高性能随机数、多线程任务分解、线程协作接下来将从并发编程的角度进行拆解首先并发的三个基本原则入手即原子性一个操作不可被中断要么全部完成要么完全不做可见性一个线程修改的值其他线程可以及时看到有序性程序执行顺序按照代码顺序执行线程可能乱序cpu指令重排并发问题JUC 工具说明原子性AtomicInteger、AtomicReference、ReentrantLockCAS 或锁保证操作不可中断可见性volatile 并发集合确保修改被其他线程看到有序性volatile、锁、ConcurrentHashMap防止指令重排保证操作顺序高级抽象线程池、同步器、阻塞队列避免手写低级同步提升性能与安全性一. volatile关键字是怎么实现有序性和可见性的强制内存读写禁止指令重排是轻量级同步机制适合状态标志或单次赋值场景但不能保证原子性。如 、i i 1因为这些操作底层由多步指令组成多个线程交错执行时仍可能产生竞态。原子性需要锁或原子类来保证。二. 原子性如何保证悲观锁synchronized / ReentrantLock通过排他性阻塞保证原子性属于悲观策略乐观锁CAS原子类通过不加锁、冲突检测和重试实现原子性属于乐观策略。原子性本质可以通过悲观锁或乐观锁实现只是机制不同悲观锁阻塞等待乐观锁自旋重试1 悲观锁能力synchronizedAQS可重入✅✅公平锁❌✅可选可中断❌✅超时获取锁❌✅条件变量wait/notifyCondition共享锁❌✅读写锁、Semaphore灵活性低高1.1 synchronizedsynchronized属于Java自带的锁是 JVM 层面实现的阻塞锁可以用来修饰代码块、参数、方法等等修饰的角色不同锁的对象不同。底层实现对象头 每个对象都有对象头Mark Word存储锁状态、哈希码、GC信息等锁信息、持有线程ID等信息MonitorJVM 提供的同步原语每个对象有一个 Monitor线程获取锁 → Monitor 管理锁的竞争、阻塞、唤醒锁的状态JDK1.6synchronized 有三种轻量化策略 重量级锁锁升级机制锁类型特点场景偏向锁偏向第一次获取锁的线程无竞争时无需同步操作单线程频繁访问轻量级锁竞争少使用 CAS 自旋尝试获取锁多线程偶尔竞争重量级锁竞争激烈线程阻塞挂起OS mutex多线程频繁竞争退偏向 / 升级锁会根据竞争情况自动升级动态适应并发强度获取锁流程当首个线程来获取锁默认是偏向锁如果偏向锁遇到其他线程竞争时JVM 会撤销偏向锁将对象头升级为轻量级锁Mark Word 指向持有线程的栈 Lock Record竞争的线程自旋 CAS 获取锁尝试指向自己的Lock Record。若自旋失败超过阈值则升级为重量级锁由操作系统挂起线程设计内核态的切换保证多线程安全。锁升级就是通过原子地修改对象头 Mark Word 来切换锁状态而线程的竞争和安全性都依赖于 CAS 或 JVM 内部原子操作释放锁流程偏向锁线程退出临界区直接清空对象头恢复无锁状态轻量级锁当释放锁使用自身的 Lock Record CAS 尝试清空对象头并摧毁自己的Lock Record。CAS 成功 → 对象头恢复无锁/原始状态CAS 失败 → 说明自旋线程已经抢到锁CAS 成功把对象头改为自己的 Lock Recordmonitorexit /monitorenter相关重量级锁通过 Monitor管理等待队列释放锁时唤醒队列线程必要时涉及线程挂起/唤醒内核态切换保证多线程安全降级锁锁降级只发生在 重量级锁 → 轻量级锁当前线程持有重量级锁Monitor释放锁时Monitor 检测等待队列中没有其他线程阻塞JVM 可以把对象头的锁标记改回轻量级锁状态Mark Word 指向线程栈 Lock Record避免下一次进入临界区再次升级到重量级锁降低内核态切换开销注意锁不会从轻量级降到偏向锁因为偏向锁依赖线程 ID且存在撤销偏向锁的成本为什么要降级重量级锁涉及 操作系统内核态切换 线程挂起/唤醒如果锁竞争消失继续保持重量级锁会浪费性能降级到轻量级锁 → 线程再次进入临界区可以用用户态 CAS 竞争开销低总的来说synchronized可重入不公平无法保证FIFO)不可中断执行/阻塞不可超时获取无法实现共享条件变量只能通过wait/notify进行通知灵活性比较低1.2 AQS锁AQS锁即抽象队列同步器原理是通过CAS修改一个volatile的int型state变量一个FIFO的管理等待队列实现。AQS 的等待队列采用 FIFO 机制线程竞争失败后会入队并通过 LockSupport.park() 挂起进入内核态阻塞只有队头节点被 unpark 唤醒并尝试 CAS 获取锁其它线程始终处于 WAITING 状态从而避免大量线程同时竞争导致的“惊群效应”同时通过“短暂自旋 阻塞”结合的策略在减少内核态切换开销和避免 CPU空转之间取得平衡。此外AQS 比 synchronized的优势主要在于更加灵活和可扩展支持可中断、超时获取锁、公平锁、多条件队列以及共享锁等高级特性。获取锁流程排他模式假设 ReentrantLock.lock()尝试快速获取锁调用 tryAcquire(state) 如果 state0 → CAS 设置 state → 成功拿锁如果state0 → 进入等待队列 加入 FIFO 队列 用 enq() 方法把当前线程封装成 Node 添加到尾部阻塞/自旋等待前驱节点释放锁时调用 unpark 唤醒后继线程 线程不断尝试 CAS tryAcquire 获取锁持锁线程拿到锁的线程执行临界区释放锁通过 release() → state 减 1 唤醒等待队列头节点线程释放锁流程排他锁 release():state state - 1if state 0:unpark(head.next.thread)共享锁如 Semaphore / CountDownLatch releaseShared() CAS 保证 状态修改原子性state state 1unpark(head.next.thread) 、常见的AQS锁独占锁ReentrantLock、写锁、Semaphore(1)共享锁读锁、Semaphore(n)、CountDownLatch条件队列ReentrantLock.Condition 核心都是通过 state CLH 队列 park/unpark 来实现线程排队、阻塞和唤醒的。2 乐观锁CAS乐观锁与其说是真正存在的锁不如说是一种compare and swap的思想即读取的时候获取旧值在更改的时候先对比旧值是否一致一致才更改否则更新失败。这个判断更新的操作是原子性的是通过cpu原子指令CMPXCHG实现的。乐观锁Java中的应用主要是在各种锁中更新状态的操作JUC 包中原子类AtomicInteger、AtomicReference、AtomicLong 等对于这种类型的数据是可以实现不加锁的原子修改的。CAS 的优缺点优点✅ 特点原子性、不加锁、非阻塞性能高避免了重量级锁的上下文切换缺点ABA 问题变量先是 A → B → ACAS 会误以为没变(解决方案Atomic-StampedReference加版本号)循环重试开销 CAS 失败需要自旋重试 → 高竞争下 CPU 占用高只能保证一个变量的原子操作 多变量原子更新需要组合方案如锁或VarHandle