转载本文请联系后端技术小牛说公众号。简介大家好！今天我们就来说说Java并发下的乐观锁。在讲乐观锁之前，先给大家回顾一个概念：原子操作：什么是原子操作？我们知道，原子是指不能再分解为化学反应的基本粒子。在Java多线程编程中，所谓原子操作就是指即使命令中涉及多个操作，这些操作也是顺序执行的，不会被其他线程打断。原子操作说完原子操作，我们进入正题。众所周知，一般来说，由于多线程并发会带来安全问题，变量的读写操作都会使用锁机制。锁一般分为乐观锁和悲观锁。悲观锁对于悲观锁，开发者认为在数据传输过程中发生并发冲突的概率较高，因此会在每次读操作之前加锁。乐观锁对于乐观锁，开发者认为发送数据时发生并发冲突的概率较低，所以在读操作之前不加锁。写操作的时候会判断，这段时间数据是否被其他线程修改过。如果有修改，则返回写入失败；如果没有被修改，则执行修改操作，返回修改成功。乐观锁定通常使用比较和交换(CAS)算法来实现。顾名思义，该算法涉及两个操作，比较（Compare）和交换（Swap）。CAS算法流程CAS算法的思想如下：该算法考虑到不同线程对变量进行操作时，竞争较少。算法的核心是比较当前读取的变量值E和内存中旧的变量值V。如果相等，说明其他线程没有修改变量，将变量值更新为新值N。如果不相等，则认为其他线程修改了变量，从读取值E到比较阶段，并且不执行任何操作。当一个线程运行CAS算法时，运行的过程是一个原子操作。也就是说，CompareAndSwap的过程虽然逻辑复杂，但是具体的操作是一次性完成的。Java中CAS的底层实现是Java中的Unsafe类。先问大家一个问题：什么是指针？学过C和C++的同学一定不陌生。说白了，指针就是内存地址，指针变量就是用来存储内存地址的变量。但是对于指针的使用，有利也有弊。好处是如果我们有内存的偏移量，也就是数据在内存中的存储位置的坐标，我们就可以直接对内存的变量进行操作；缺点是指针在语言中是一个强大的组成部分，如果新手在编程时，不会考虑指针的安全性。如果他错误地操作指针修改了一个不该修改的内存值，很容易导致整个程序崩溃。指针的错误使用Java语言没有直接的指针成分，一般不能使用偏移量对一块内存进行操作。这些操作相对安全。但实际上，Java有一个类叫做Unsafe类。该类使Java具备了像C语言中的指针一样操作内存空间的能力，但同时也带来了指针问题。这个类可以说是Java并发开发的基础。Unsafe类中的CAS一般来说，大家接触到的CAS函数都是Unsafe类提供的封装。下面是一些CAS函数。publicfinalnativebooleancompareAndSwapObject(ObjectparamObject1,longparamLong,ObjectparamObject2,ObjectparamObject3);publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(ObjectparamObject,longparamLong,intparamInt1,intparamInt2);publicfinalnativebooleancompareAndSwapLong(ObjectparamObject,longparamLong1,longparamLong2,longparamLong3);这就是Unsafe包下提供的CAS更新对象、CAS更新int型变量、CAS更新了三个long类型变量的函数。我们以最好理解的compareAndSwapInt为例，一起来看看：publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(ObjectparamObject,longparamLong,intparamInt1,intparamInt2);可以看到，这个函数有四个参数：第一个是目标对象，第二个参数用来表示我们上面提到的指针是一个long类型的值，表示成员变量在其对应的对象属性中的偏移量.也就是说，函数可以通过这个参数找到变量在内存中的具体位置，从而进行CAS操作。第三个参数是预期的旧值，在示例中为V。第四个参数是修改后的新值，本例中为N。有的同学会问，Java中只有整型CAS函数吗？double和boolean是否有任何CAS函数？遗憾的是Java中的CAS操作和UnSafe类都没有提供对double和boolean数据的支持。怎么做。但是我们可以利用现有的方法进行封装，自己制作操作double和boolean数据的方法。对于boolean类型，我们可以在传入参数时将boolean类型转换为int类型，在返回值时将int类型转换为boolean类型。对于double类型，它依赖于long类型，double类型提供了double类型和long类型之间转换的功能。publicstaticnativedoublelongBitsToDouble(longbits);publicstaticnativelongdoubleToRawLongBits（双值）；众所周知，基本数据类型都是以位类型存储在最底层的。所以long类型和double类型都是在计算机底层按位存储的。所以这两个函数很容易理解：longBitsToDouble函数将long类型的底层二进制存储数据强行转换为double类型。doubleToRawLongBits函数将double类型的实际二进制存储数据翻译成long类型。Java中的CAS使用一个比较常见的操作，使用变量i为程序计数，可以通过增加i来实现。因蒂=0；我++；但是稍有经验的同学都知道，这种写法并不是线程安全的。如果500个线程同时执行i++，i的结果不一定是500，有可能小于500。这是因为i++不仅仅是一行命令，它涉及以下操作：（以下代码是Java代码编译的字节码）getfield#从内存中获取变量i的值iadd#将count加到1putfield#将1后的结果赋值给i变量。可以看出，一个简单的自增操作涉及到这三个命令，而这些命令并不是一口气完成的，在多线程的情况下很容易被其他线程打断。虽然两个线程都进行了i++操作，i的值本来应该是2，但是按照上图的流程，i的值变成了1。如果我们需要执行我们想要的操作，代码可以这样重写。inti=0;synchronized{i++;}我们知道修改synchronized关键字的代价是非常大的。Java提供了一个原子类。如果把变量i声明为原子类，并进行相应的操作，就没有前面的问题解决了，而且比synchronized的开销小。AtomicIntegeri=newAtomicInteger(0);i.getAndIncrement();Java的Atomic基本数据类型类也为int类型的原子操作提供了AtomicIntegerAtomicLong为long类型的原子操作提供了AtomicBoolean为boolean类型的原子操作提供了原子基本数据类型支持的方法如下图所示：原子基本数据类型getCurrentValue：获取当前值此基本数据类型的当前值。setValue：将当前底层数据类型的值设置为目标值。getAndSet：获取底层数据类型的当前值，并将当前底层数据类型的值设置为目标值。getAndIncrement：获取底层数据类型的当前值并加1，类似于i++。getAndDecrement：获取底层数据类型的当前值并减1，类似于i--。getAndAdd：获取基础数据类型的当前值并递增给定参数的值。IncrementAndGet：自增1，得到底层数据类型的增量值，类似++i。decrementAndGet：减1，得到底层数据类型的增加值，类似于--i。AddAndGet：增加给定参数的值并获取基础数据类型的增加值。这些基本数据类型的函数底层实现都有CAS。我们以最简单的AtomicIntegergetAndIncrement函数为例：(sourcesourceJDK7)volatileintvalue;···publicfinalintgetAndIncrement(){for(;;){intcurrent=get();intnext=current+1;if(compareAndSet(current,next))returncurrent;}}这个和之前的i++自增操作类似。这里的compareAndSet其实是一个封装了Unsafe类的native函数：publicfinalcompareAndSet(intexpect,undate){returnunsafe.compareAndSwapInt(this,valueOffset,expect,update);}它返回的是我们刚才说的unsafe封装下的compareAndSwapInt函数。除了CAS，Atomic类还使用了一种方法来优化获取锁的过程。我们知道，当一个线程无法获得相应的锁时，有两种策略：策略一：放弃获得CPU，将线程置于阻塞状态，等待操作系统后续唤醒和调度。当然，这样做的弊端是显而易见的。这种状态切换涉及到从用户态到内核态的切换，一般开销比较大。如果线程快速释放占用的锁，这样做显然不划算。策略二：不放弃CPU，不断重试。此操作也称为旋转。当然，这样做也有缺点。如果一个线程持有锁的时间过长，会导致其他等待获取锁的线程无谓地消耗CPU资源。使用不当会导致CPU使用率过高。在这种情况下，策略1更有意义。我们上面提到的AtomicInteger和AtomicLong在进行相关操作时采用的是策略2。通常，这种策略也称为自旋锁。可以看出，在AtomicInteger的getAndIncrement函数中，函数外包了一个for(;;)，实际上是一个不断重试的死循环，也就是这里说的自旋。但现在采用的策略大多是开发者设定一个阈值，在阈值内不断自旋。如果自旋失败次数超过阈值，则进入阻塞状态。自旋ABA问题AtomicMarkableCAS算法本身有一个很大的缺陷，就是ABA问题。我们可以看到CAS算法是根据值进行比较的。如果当前有两个线程，一个线程把变量值从A改成B，再把B改回A，当当前线程开始执行CAS算法时，很容易认为值没有changed，误认为在读取数据到执行CAS算法之间没有线程修改过数据。ABA问题乍一看这个缺陷似乎不会造成什么问题，其实不然。让我举一个例子。假设小爱同学银行卡余额100元，假设银行转账操作是一个简单的CAS命令，比较余额旧值与当前值是否相同，如果相同则进行扣款/增量将发生。我们将使用此命令与CAS(origin,expect)表示。那么，让我们看看接下来发生了什么：小明银行转账欠小爱同学100元，小爱同学欠小牛100元，小爱同学打算在1号ATM上转100元给小牛；它是用CAS算法实现的。因为1号ATM突然卡住了，小爱又跑到下一个2号ATM操作转账；2号ATM执行CAS(100,0)，顺利完成转账。此时，小爱同学账户余额为0；小明此时向小爱账户转了100，小爱账户余额为100；此时ATM1的网络恢复，CAS(100,0)执行成功。小爱同学的账户余额又变成了0；可怜的小艾，由于CAS算法的缺陷，损失了100块钱。ABA问题的解决方案并不复杂。对于这个CAS函数，不仅要比较变量值，还要比较版本号。publicbooleancompareAndSet(VexpectedReference,VnewReference,intexpectedStamp,intnewStamp)之前的CAS只有两个参数，而带版本号比较的CAS有四个参数，其中expectedReference指的是变量的预期旧值，newReference指的是需要被比较的变量changedexpectedStamp指的是版本号的旧值，newStamp指的是版本号的新值。修改后的CAS算法执行流程如下：更正CAS算法AtomicStampedReference如何在Java中顺利使用带版本号比较的CAS功能？Java开发人员帮助我们解决了这个问题。他们提供了一个类叫JavaAtomicStampedReference，这个类封装了CAS功能和版本号比较，我们来看看。AtomicStampedReference在java.util.concurrent.atomic包下定义。下图描述了该类对应的几个常用的方法：AtomicStampedReferenceattemptStamp：如果expectReference与当前值一致，则将当前对象的版本号戳记设置为newStampcompareAndSet：该方法就是上面描述的带版本号的CAS方法。get：该方法返回当前对象的当前对象值和版本号戳getReference：该方法返回当前对象值getStamp：该方法返回当前对象的版本号戳set：直接设置当前对象值和版本对象的编号戳参考：Java并发实现原理：JDK源码分析https://mp.weixin.qq.com/s/Ad6ufmGSEiQpL38YrvO4mwhttps://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/atomic/AtomicStampedReference.htmlhttps://zhang0peter.blog.csdn.net/article/details/84020496?utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-searchFromBaidu-1.control&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-searchFromBaidu-1.controlhttps://mp.weixin.qq.com/s/kvuPxn-vc8dke093XSE5IQ
