我們知道悲觀鎖在高并發(fā)的場(chǎng)景下，激烈的鎖競(jìng)爭(zhēng)會(huì)造成線程阻塞，大量阻塞線程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)上下文切換，增加系統(tǒng)的性能開(kāi)銷。那么有沒(méi)有可能實(shí)現(xiàn)一種非阻塞的鎖機(jī)制來(lái)保證線程的安全呢？答案是肯定的。今天我就帶你學(xué)習(xí)下樂(lè)觀鎖的優(yōu)化方法，看看怎么使用才能發(fā)揮它最大的價(jià)值。
一 什么是樂(lè)觀鎖
樂(lè)觀鎖，顧名思義，就是說(shuō)在操作共享資源時(shí)，它總是抱著樂(lè)觀的態(tài)度進(jìn)行，它認(rèn)為自己可以成功的完成操作。但實(shí)際上，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)操作一個(gè)共享資源時(shí)，只有一個(gè)線程會(huì)成功，那么失敗的線程呢？它們不會(huì)像悲觀鎖一樣，在操作系統(tǒng)中掛起，而僅僅是返回，并且系統(tǒng)允許失敗的線程重試，也允許自動(dòng)放棄退出操作。
所以，樂(lè)觀鎖相比悲觀鎖來(lái)說(shuō)，不會(huì)帶來(lái)死鎖，饑餓等活性故障問(wèn)題，線程間的相互影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比悲觀鎖要小。更為重要的是，樂(lè)觀鎖沒(méi)有因鎖競(jìng)爭(zhēng)造成的系統(tǒng)開(kāi)銷，所以在性能上也是更勝一籌。
二 樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)原理
CAS是實(shí)現(xiàn)樂(lè)觀鎖的核心算法，它包含了3個(gè)參數(shù)：V（需要更新的變量），E（預(yù)期值）和N（最新值）。
1.CAS如何實(shí)現(xiàn)原子操作
在JDK中的concurrent包中，atomic路徑下的類都是基于CAS實(shí)現(xiàn)的。AtomicInteger就是基于CAS實(shí)現(xiàn)的一個(gè)線程安全的整型類。下面我們通過(guò)源碼來(lái)了解下如何使用CAS實(shí)現(xiàn)原子操作。
我們可以看到AtomicInteger的自增方法是使用了Unsafe的getAndAddInt方法，顯然AtomicInteger依賴于本地方法Unsafe類，Unsafe類中的操作方法會(huì)調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)原子操作。
2.處理器如何實(shí)現(xiàn)原子操作
CAS是調(diào)用處理器底層指令來(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作，那么處理器底層又是如何實(shí)現(xiàn)原子操作的呢？
處理器和物理內(nèi)存之間的通信速度要遠(yuǎn)慢于處理器間的處理速度，所以處理器有自己的內(nèi)部緩存。如下圖所示，在執(zhí)行操作時(shí)，頻繁使用的內(nèi)存數(shù)據(jù)會(huì)緩存在處理器的L1，L2和L3高速緩存中，以加快頻繁讀取的速度。
三 優(yōu)化CAS樂(lè)觀鎖
雖然樂(lè)觀鎖在并發(fā)性能上要比悲觀蘇優(yōu)越，但是在于寫(xiě)大于讀的操作場(chǎng)景下，CAS失敗的可能性會(huì)增大，如果不放棄此次CAS操作，就需要循環(huán)做CAS重試，這無(wú)疑會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地占用CPU。
在JAVA1.7中，通過(guò)以下代碼我們可以看到：AtomicInteger的getAndSet方法中使用了for循環(huán)不斷重試CAS操作，如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，就會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷。到了Java8，for循環(huán)雖然被去掉了，但是我們反編譯Unsafe類時(shí)就可以發(fā)現(xiàn)該循環(huán)其實(shí)是被封裝在了Unsafe類中，CPU的執(zhí)行開(kāi)銷依然存在。
JDK1.8中，Java提供了一個(gè)新的原子類LongAdder，LongAdder在高并發(fā)的場(chǎng)景下比AtomicInteger和AtomicLong的性能更好，代價(jià)就是會(huì)消耗更多的內(nèi)存空間。
LongAdder內(nèi)部由一個(gè)base變量和一個(gè)cell[]數(shù)組組成。當(dāng)只有一個(gè)寫(xiě)線程，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，LongAdder會(huì)直接使用base變量作為原子操作變量，通過(guò)CAS操作修改變量；當(dāng)有多個(gè)寫(xiě)線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，除了占用base變量的一個(gè)寫(xiě)線程之外，其它各個(gè)線程會(huì)將修改的變量寫(xiě)入到自己的槽cell[]數(shù)組中，最終結(jié)果可通過(guò)公式計(jì)算得出：
四 總結(jié)
在日常開(kāi)發(fā)中，使用樂(lè)觀鎖最常見(jiàn)的場(chǎng)景就是數(shù)據(jù)庫(kù)的更新操作了。為了保證操作數(shù)據(jù)庫(kù)的原子性，我們常常會(huì)為每一條數(shù)據(jù)定義一個(gè)版本號(hào)，并在更新前獲取到它，到了更新數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，還要判斷下已經(jīng)獲取的版本號(hào)是否被更新過(guò)，如果沒(méi)有，則執(zhí)行該操。
CAS樂(lè)觀鎖在平常使用時(shí)比較受限，它只能保證單個(gè)變量操作的原子性，當(dāng)涉及到多個(gè)變量時(shí)，CAS就無(wú)能為力了，但前兩講講到的悲觀鎖可以通過(guò)對(duì)整個(gè)代碼塊加鎖來(lái)做到這點(diǎn)。
CAS樂(lè)觀鎖在高并發(fā)寫(xiě)大于讀的場(chǎng)景下，大部分線程的原子操作會(huì)失敗，失敗后的線程將會(huì)不斷重試CAS原子操作，這樣就會(huì)導(dǎo)致大量線程長(zhǎng)時(shí)間地占用CPU資源，給系統(tǒng)帶來(lái)很大的性能開(kāi)銷。在JDK1.8中，Java新增了一個(gè)原子類LongAdder，它使用了空間換時(shí)間的方法，解決了上訴問(wèn)題。
最近的這幾講中，我詳細(xì)的講解了基于JVM實(shí)現(xiàn)的同步鎖Sychronized，AQS實(shí)現(xiàn)的同步鎖Lock以及CAS實(shí)現(xiàn)的樂(lè)觀鎖。相信你也很好奇，這三種鎖，到底哪一種的性能最好，現(xiàn)在我們來(lái)對(duì)比一下不同實(shí)現(xiàn)方式下的鎖的性能。
鑒于脫離實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的性能對(duì)比測(cè)試結(jié)果沒(méi)有意義，我們可以分別在“讀多寫(xiě)少”，“讀少寫(xiě)多”，“讀寫(xiě)差不多”這三種場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試。又因?yàn)殒i的性能還與競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度有關(guān)，所以除此之外，我們還將做三種鎖在不同競(jìng)爭(zhēng)級(jí)別下的性能測(cè)試。
綜合上述條件，我將對(duì)四種模式下的五個(gè)鎖Sychronized，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，StampedLock以及樂(lè)觀鎖LongAdder進(jìn)行壓測(cè)。
通過(guò)以上結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)：在讀大于寫(xiě)的場(chǎng)景下，讀寫(xiě)鎖ReentrantReadWriteLock，StampedLock以及樂(lè)觀鎖的讀寫(xiě)性能是最好的；在寫(xiě)大于讀的場(chǎng)景下，樂(lè)觀鎖的性能是最好的，其它4種鎖的性能則差不多；在讀和寫(xiě)差不多的場(chǎng)景下，兩種讀寫(xiě)鎖以及樂(lè)觀鎖的性能要優(yōu)于Sychronized和ReentrantLock。
