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锁策略, cas 和 synchronized 优化过程总结

news 2025/12/23 8:18:30

目录

一、锁策略

1. 乐观锁和悲观锁

2. 读写锁

3. 重量级锁和轻量级锁

4. 自旋锁

5. 公平锁和非公平锁

6.可重入锁 vs 不可重入锁

二、CAS

1. CAS 是怎么实现的

1) 实现原子类

2) 实现自旋锁

3. CAS 的 ABA 问题

三、Synchronized 原理

1.Synchronized 加锁工作过程

3.1 偏向锁

3.2 轻量级锁

3.3 重量级锁

2. Synchronized优化操作

一、锁策略

1. 乐观锁和悲观锁

悲观锁:(预测接下来冲突概率比较大)
总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。

乐观锁：(预测接下来冲突概率不大)
假设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，才会正式对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做

举个栗子:A 和 B 想去KTV唱歌.

A 认为 "这个是时间,KTV很多人,有可能没有房间". 因此A 会先给KTV前台打电话: "你好,现在还有空余的房间没有,我准备一会过去" (相当于加锁操作) 得到肯定的答复之后, 才会真的来KTV. 如果得到了否定的答复, 那就等一段时间, 一会再来和前台确定时间. 这个是悲观锁.

B 认为 "这么大个KTV,肯定大概率是有房间的,". 因此 B 直接就来KTV.(相当于没加锁, 直接访问资源) 如果KTV确实比较闲, 那么直接问题就解决了. 如果KTV这会确实很忙, 那么 B , 就下次再来(虽然没加锁, 但是能识别出数据访问冲突). 这个是乐观锁.

这两种思路不能说谁优谁劣, 而是看当前的场景是否合适.

如果当前KTV确实比较忙, 那么使用悲观锁的策略更合适, 使用乐观锁会导致 "白跑很多趟", 耗费额外的资源.

如果当前KTV确实比较闲, 那么使用乐观锁的策略更合适, 使用悲观锁会让效率比较低.

2. 读写锁

多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。

一个线程对于数据的访问, 主要存在两种操作: 读数据和写数据.

两个线程都只是读一个数据, 此时并没有线程安全问题. 直接并发的读取即可.
两个线程都要写一个数据, 有线程安全问题.
一个线程读另外一个线程写, 也有线程安全问题.

读写锁就是把读操作和写操作区分对待. Java 标准库提供了 ReentrantReadWriteLock 类, 实现了读写锁.

ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁
ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.

读写锁特别适合于 "频繁读, 不频繁写" 的场景中. (这样的场景其实也是非常广泛存在的)

3. 重量级锁和轻量级锁

重量级锁：主要依赖了操作系统提供的锁，使用这种锁，就容易产生阻塞等待

轻量级锁：主要尽量的避免使用操作系统提供的锁，而是尽量在用户态来完成功能，尽量避免用户态和内核态的切换，尽量避免挂起等待

synchronized是自适锁，既是轻量级锁，又是重量级锁，是根据锁冲突的情况来的，冲突的不高就是轻量级，冲突的很高就是重量级

锁的核心特性 "原子性", 这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的。CPU 提供了 "原子操作指令"；操作系统基于 CPU 的原子指令, 实现了 mutex 互斥锁；JVM 基于操作系统提供的互斥锁, 实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类。

重量级锁:

加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex
大量的内核态用户态切换
很容易引发线程的调度

轻量级锁:

加锁机制尽可能不使用 mutex, 而是尽量在用户态代码完成. 实在搞不定了, 再使用 mutex.
少量的内核态用户态切换.
不太容易引发线程调度.

4. 自旋锁

自旋锁是轻量级锁的具体实现.（自旋锁是轻量级锁，也是乐观锁）

挂起等待锁是重量级锁的具体实现（挂起等待锁是重量级锁，也是悲观锁）

自旋锁：当发现锁冲突时，不会挂起等待，会迅速再来尝试看这个锁能不能获取到

一旦锁被释放，就可以第一时间获取到
如果锁一直不释放，就会立即尝试获取锁，无限循环，直到获取到锁为止，就会消耗大量CPU

挂起等待锁：发现锁冲突，就挂起等待

一旦锁被释放，不能第一时间获取到
在锁被其他线程占用时，会放弃CPU资源

自旋锁是一种典型的轻量级锁的实现方式.

优点: 没有放弃 CPU, 不涉及线程阻塞和调度, 一旦锁被释放, 就能第一时间获取到锁.

缺点: 如果锁被其他线程持有的时间比较久, 那么就会持续的消耗 CPU 资源. (而挂起等待的时候是不消耗 CPU 的).

5. 公平锁和非公平锁

公平锁: 遵守 "先来后到". 这样的规则就是公平的，”机会均等“的竞争反而是不公平的
非公平锁: 不遵守 "先来后到". 就是非公平的

synchronized是非公平锁

6.可重入锁 vs 不可重入锁

可重入锁是指可以重新进入的锁，一个线程针对一把锁，连续两次加锁不会出现死锁，这种就是可重入锁 synchronized就属于可重入锁

二、CAS

CAS 可以视为是一种乐观锁.
全称 Compare and swap, 即 "比较并交换". 相当于通过一个原子的操作, 同时完成 "读取内存, 比
较是否相等, 修改内存" 这三个步骤. 本质上需要 CPU 指令的支撑.

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

比较 A 与 V 是否相等。（比较）

如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）

返回操作是否成功。

1. CAS 是怎么实现的

java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。

1) 实现原子类

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的.
典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();

2) 实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权

伪代码实现:

public class SpinLock {private Thread owner = null;public void lock(){// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.// 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待.// 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}

3. CAS 的 ABA 问题

ABA问题是在分布式系统中，由于网络分区或节点故障导致的数据一致性问题。在CAS（Compare and Swap）操作中，ABA问题指的是，在执行CAS操作期间，数据从A变为B又变回A，导致CAS操作成功，但实际上数据并没有发生变化。

什么是ABA 的问题:
假设存在两个线程 t1 和 t2. 有一个共享变量 num, 初始值为 A.
接下来, 线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要
先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.
使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z.
但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A

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,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.

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

1.Synchronized 加锁工作过程

3.1 偏向锁

第一个尝试加锁的线程, 优先进入偏向锁状态.偏向锁不是真的 “加锁”, 只是给对象头中做一个 “偏向锁的标记”, 记录这个锁属于哪个线程.如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)

如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态.偏向锁本质上相当于 “延迟加锁” . 能不加锁就不加锁, 尽量来避免不必要的加锁开销.'

3.2 轻量级锁

随着其他线程进入竞争, 偏向锁状态被消除, 进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁).此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现.

通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用)如果更新成功, 则认为加锁成功如果更新失败, 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU).自旋操作是一直让 CPU 空转, 比较浪费 CPU 资源.因此此处的自旋不会一直持续进行, 而是达到一定的时间/重试次数, 就不再自旋了.也就是所谓的 “自适应”

3.3 重量级锁

如果竞争进一步激烈, 自旋不能快速获取到锁状态, 就会膨胀为重量级锁执行加锁操作, 先进入内核态在内核态判定当前锁是否已经被占用如果该锁没有占用, 则加锁成功, 并切换回用户态.如果该锁被占用, 则加锁失败. 此时线程进入锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒.经历了一系列的沧海桑田, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒这个线程, 尝试重新获取锁

我们可以总结出, Synchronized 具有以下特性(只考虑 JDK 1.8):

开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.
开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.
实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略
是一种不公平锁
是一种可重入锁
不是读写锁

2. Synchronized优化操作

锁消除

锁消除，编译器自动判定，如果认为这个代码没必要加锁，就不加了.

这个操作不是所有情况下都会触发，在大部分情况下不能触发；而偏向锁，每一次加锁都会先进入偏向锁

举个例子，有些应用程序的代码中, 用到了 synchronized, 但其实没有在多线程环境下. (例如 StringBuffer)

StringBuffer tmp = new StringBuffer();
tmp.append("ab");
tmp.append("bc");
tmp.append("cd");
tmp.append("de");

此时每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执行这个代码, 那么这些加锁解锁操作是没有必要的, 白白浪费了一些资源开销。这就来到了锁粗化。

锁粗化

一段逻辑中如果出现多次加锁解锁, 编译器 + JVM 会自动进行锁的粗化.

锁的粒度：表示synchronized包含的代码范围是大还是小，范围越大，粒度越粗；范围越小，粒度越细

锁的粒度细了，能够更好的提高线程的并发，但是也会增加“加锁解锁”的次数

for(int i = 0;i < 10000;i++) {synchronized (synchronized线程安全.class) {count++;}
}synchronized (synchronized线程安全.class) { //加锁for(int i = 0;i < 10000;i++) {count++;}
}// 释放锁public static void main(String[] args) {StringBuffer tmp = new StringBuffer();tmp.append("ab");tmp.append("bc");tmp.append("cd");//其中连续三次同时append，加锁---释放锁。System.out.println(sb.toString());}