【Java多线程】面试常考——锁策略、synchronized的锁升级优化过程以及CAS（Compare and swap）

古城微笑少年丶 2024-04-20 11:50 58阅读 0赞

**目录**

1、锁的策略

1.1、乐观锁和悲观锁

1.2、轻量级锁和重量级锁

1.3、自旋锁和挂起等待锁

1.4、普通互斥锁和读写锁

1.5、公平锁和非公平锁

1.6、可重入锁和不可重入锁

2、synchronized 内部的升级与优化过程

2.1、锁的升级/膨胀

2.1.1、偏向锁阶段

2.1.2、轻量级锁阶段

2.1.3、重量级锁阶段

2.2、锁消除

2.3、锁粗化

3、CAS（Compare and swap）

3.1、CAS 的应用

3.1.1、实现 Atomic 原子类

3.1.2、实现自旋锁

3.1.3、CAS 的 ABA 问题

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## 1、锁的策略 ##

加锁过程中，处理冲突的过程中，涉及到的一些不同的处理方式，就叫锁的策略。

### 1.1、乐观锁和悲观锁 ###

> **乐观锁**  
> 在加锁之前，预估当前出现锁冲突的概率不大，因此在进行加锁的时候就不会做太多的工作。
> 
> 由于加锁过程中做的事情比较少，加锁的速度可能就更快，但是**更容易引入一些其他的问题**（消耗更多cpu资源）。
> 
>   
> **悲观锁**  
> 在加锁之前，预估当前出现锁冲突的概率比较大，因此在进行加锁的时候就会做更多的工作。
> 
> 由于加锁过程中做的事情更多，加速的速度可能更慢，但是整个过程中**不容易出现其他问题**。

### 1.2、轻量级锁和重量级锁 ###

> **轻量级锁**  
> 加锁的开销小，加锁的速度更快， 轻量级锁，一般就是乐观锁。
> 
>   
> **重量级锁**  
> 加锁的开销更大，加锁的速度更慢，重量级锁，一般就是悲观锁。

**需要注意的是：**

**悲观乐观**，是在加锁**之前**，对未发生的事情进行的预估。  
**轻量重量**，是在加锁**之后**，对结果的评价。  
但是整体来说，这两种角度，描述的都是同一个事情。

### 1.3、自旋锁和挂起等待锁 ###

> **自旋锁**  
> 就是轻量级锁的一种**典型实现**，同时也是一种乐观锁。  
> 进行加锁的时候，会搭配一个while循环，如果加锁成功，自然循环结束。  
> 如果加锁不成功，不是阻塞放弃cpu，而是进行下一个循环，再次尝试获取到锁。  
> 上述操作的**反复快速**执行的过程，就称为“自旋”。一旦其他线程释放了锁，就能第一时间拿到锁。
> 
>   
> **挂起等待锁**  
> 就是重量级锁的一种**典型实现**，同时也是一种悲观锁（适用于锁冲突激烈的情况）。

### 1.4、普通互斥锁和读写锁 ###

> **普通互斥锁**  
> 类似于 synchronized 操作涉及的 加锁 和 解锁
> 
>   
> **读写锁**  
> 把加锁分为两种情况： 1）加读锁 ReadLock 2）加写锁 WriteLock  
> **结论：读锁与读锁不会出现锁冲突（不会阻塞）**，写锁与写锁、读锁与写锁都会出现锁冲突（会阻塞）  
> 这里的差异理解起来也很简单，因为两个线程进行读操作，本身就是线程安全的，所以不需要进行互斥**（而且读操作在实际开发中有非常频繁，所以能够大大提升了性能）**， synchronized 不是读写锁，对于读写锁 JVM 同样封装了 api 给程序员使用。

### 1.5、公平锁和非公平锁 ###

> **公平锁**  
> 先来后到叫公平，实现公平锁需要引入额外的数据结构（队列，记录先后顺序）。
> 
>   
> **非公平锁**  
> Java中默认的锁就是非公平锁，正是因为非公平锁导致了**“线程饿死”**。

所谓**“线程饿死”**，可以理解为：

当线程A获取锁时，发现此时不能完成实质性的逻辑（取钱时发现atm没钱了），此时只能释放锁并退出，重新与其他线程竞争该锁（刚刚释放锁的线程也会参与到锁竞争中）。有一个**极端情况，就是每次释放锁之后又是线程A获取到了锁**，并且此时依然无法完成实质性的逻辑，又只能释放锁。就出现【线程A忙了半天不干实事，其他线程都只能干等了】的情况，**这就称之为“线程饿死”。**  
**而这种极端情况出现的概率还挺高的**，因为线程A获取锁后处在RUNNABLE状态，而其他线程处在BLOCKED状态，处于BLOCKED状态的线程**需要系统唤醒**之后才能参与锁竞争，而线程A不需要，因此线程A再次获取到锁的概率比其他的线程高。

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### 1.6、可重入锁和不可重入锁 ###

> 针对一个线程一把锁，连续加锁两次不会产生死锁，就是可重入锁，反之就是不可重入锁。系统自带的锁是不可重入锁，Java 的 synchronized 是可重入锁。

##  ##

## 2、synchronized 内部的升级与优化过程 ##

Java 中的 synchronized 具有**自适应能力**。内部会自动评估当前锁冲突的剧烈程。

如果当前锁冲突的**剧烈程度不大**，就处在 乐观锁/轻量级锁/自旋锁。

如果当前锁冲突的**剧烈程度很大**，就处在 悲观锁/重量级锁/挂起等待锁。

### 2.1、锁的升级/膨胀 ###

#### 2.1.1、偏向锁阶段 ####

> 类似于“懒汉模式”，能不加锁就不加锁，能晚加锁就晚加锁。在遇到竞争的情况下，偏向锁没有提高效率；但是如果在没有竞争的情况下， 偏向锁就大幅度的提高了效率。
> 
> .
> 
> **【只是做了一个标记，没有真加锁（也就不存在互斥），一旦有其他线程想要来竞争锁，就在另一个线程之前先把锁获取到，进而从偏向锁升级到轻量级锁（存在互斥）。】**

####  ####

#### 2.1.2、轻量级锁阶段 ####

> **通过自旋锁的方式来实现**，**优势：**其他线程释放锁后能够第一时间拿到锁；**劣势：**消耗cpu；
> 
> .
> 
> 此外 synchronized 内部也会统计当前这个锁对象上，有多少个线程产于竞争**（都是自旋式竞争）**，如果发现参与竞争的线程比较多，就会进一步升级到重量级锁。

#### 2.1.3、重量级锁阶段 ####

> 此时拿不到锁的线程就不会继续自旋，而是进入“阻塞等待”，让出cpu资源。锁被释放后回归随机唤醒机制。

### 2.2、锁消除 ###

简单来说就是自动干掉不必要的锁。

### 2.3、锁粗化 ###

简单来说就是把多个细粒度的锁合并成一个粗粒度的锁，减少锁竞争的开销。

**以上说的所有机制，都是在内部自动执行的，不需要程序员在编写代码的时候真正的手动执行。**

## 3、CAS（Compare and swap） ##

CAS（即比较并交换）本身是特殊的**单个 cpu 指令**，一个 CAS 涉及以下操作：

> 假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B
> 
> 1、比较A与V是否相等（比较）
> 
> 2、如果比较相等，将B写入V（交换）
> 
> 3、返回操作是否成功

由于 CAS是单个 cpu 指令，使用 CAS 可以**“原子”的完成**很多复杂操作，不涉及到加锁，也不会阻塞，合理的使用也可以保证线程安全，使用 CAS 的编程方式称为**“无锁化编程”**，是多线程编程中的特殊技巧。

操作系统对 CAS 指令进行了封装成了 api ，JVM 有对操作系统提供的 api 又封装一层。

### 3.1、CAS 的应用 ###

#### 3.1.1、实现 Atomic 原子类 ####

Java 标准库中的 Atomic 原子类就是基于 CAS 来实现的。

![a013478e53bd481c85e562b2dd15aaef.png][] 伪代码描述 CAS 以及 模拟 AtomicInteger 自增过程

#### 3.1.2、实现自旋锁 ####

![0b746ee69e604d9a96a9959ff6085a04.png][] 伪代码描述自旋锁的执行过程

#### 3.1.3、CAS 的 ABA 问题 ####

CAS 使用的时候，关键要点是判定当前内存的值和寄存器中的值是否一样，判定是否一样的操作**本质上是在判定这个代码执行的过程中是否有其他线程穿插进来了。**

但是这样的判定可能存在这样的可能，本来数值是0，执行 CAS 之前，另一个线程把值从 0 → 100 ，又从 100 → 0 ，虽然改了，但是又改回去了，这种情况就称为 ABA 问题。CAS 的 ABA 问题一般情况下不会有问题，不会产生啥 bug ，但是就怕一些极端情况。

> **解决方案：**  
> 1、约定数据变化是单向的（只能添加或者只能减少），不能是双向的。  
> 2、对于本身就必须双向变化的数据，可以引入一个版本号，版本号是单向增加的。

![629d2392b95643bb91fdf3269cb9a1fd.gif][]

**【博主推荐】**

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