详解Java中的悲观锁与乐观锁

一、悲观锁

悲观锁顾名思义是从悲观的角度去思考问题，解决问题。它总是会假设当前情况是最坏的情况，在每次去拿数据的时候，都会认为数据会被别人改变，因此在每次进行拿数据操作的时候都会加锁，如此一来，如果此时有别人也来拿这个数据的时候就会阻塞知道它拿到锁。在Java中，Synchronized和ReentrantLock等独占锁的实现机制就是基于悲观锁思想。在数据库中也经常用到这种锁机制，如行锁，表锁，读写锁等，都是在操作之前先上锁，保证共享资源只能给一个操作（一个线程）使用。

由于悲观锁的频繁加锁，因此导致了一些问题的出现：比如在多线程竞争下，频繁加锁、释放锁导致频繁的上下文切换和调度延时，一个线程持有锁会导致其他线程进入阻塞状态，从而引起性能问题。

二、乐观锁

乐观锁从字面上看是从积极，乐观的角度去看待问题，因此它认为数据一般不会产生冲突，因此一般不加锁，当数据进行提交更新时，才会真正对数据是否产生冲突进行监测。如果发生冲突，就返回给用户错误信息，由用户来决定如何去做，主要有两个步骤：冲突检测和数据更新。

三、CAS

CAS(compare and set），比较和更新。CAS是乐观锁的技术实现，当多个线程尝试使用CAS同时来更新同一个变量，只有一个线程能够更新变量值，而其他的线程都会失败，失败的线程并不会被挂起，告知这次竞争失败，可以再次尝试。

CAS操作包含三个操作数：

• 需要读写的内存位置(V)
• 需要比较的预期原值(A)
• 拟写入的新值(B)

如果内存位置V的值与原预期值A相匹配，那么处理器就会自动将该位置更新为新值B，否则处理器不做任何处理。乐观锁是一种思想，CAS是这种思想的一种实现方法。Java中对CAS支持，在jdk1.5之后新增java.util.concurrent(J.U.C)就是建立CAS基础上，CAS是一种非阻塞的实现，例如：Atomic

四、AtomicXXX

在Java中，提供了一些原子化的操作类型，如下操作

 private volatile int value;
 
public final int get() {
        return value;
    }

读取的值，value是声明为volatile的，就可以保证在没有锁的情况下，线程可见性

在涉及到数据变更,以incrementAndGet实例：++i操作

public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

采用的CAS的操作，每次读取内存中的数据，让后将数据+1的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，负责重试指导成功为止，这里调用compareAndSet是CAS所依赖的JNI的实现的乐观锁 。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

Atomic就是volatile的使用场景，也是CAS的使用场景。

五、CAS中的ABA问题

CAS使用起来能够提高性能，但会引起ABA的问题

假如如下事件序列：

1、线程1从内次位置V来获取值A

2、线程2从内存位置V获取A

3、线程2进行一些操作，将B写入到V

4、线程2将A写入位置V

5、线程1进行CAS操作，发现位置V的值任然为A,操作成功了

6、线程1尽管CAS操作成功了，该过程有可能出现问题，对于线程1，线程2做的处理就可能丢失了

举例说明：一个链表ABA的例子

1、现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A。这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：

1head.compareAndSet(A,B);

2、在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再依次入栈D、C、A，而对象B此时处于游离状态。

3、此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B。但实际上B.next为null，此时堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，C、D被丢掉了。

六、ABA问题解决方案

ABA问题解决思路就是使用版本号，在变量前面追加版本号，每次对变量你进行更新的时候对版本进行加1，对于A->B->A 就会变成1A ->2B->3A

七、使用CAS会引起的问题

1.ABA问题

ABA问题可以使用版本号解决

2.循环时间长开销大

 自旋CAS如果长时间不成功，CPU带来非常大的执行开销，需要考虑长时间循环问题，给每个线程循环给定循环次数阈值，让当前线程释放CPU的使用权，进入阻塞中

3.只能保证一个共享变量的原子操作

八、Synchronized锁优化

JDK1.5之前， Synchronized称之为“重量级锁”，对该做了各种所有，分别为偏向锁、轻量级锁、重量级锁

Java对象内存布局：

说到 synchronized 加锁原理与Java对象在内存中的布局有很大关系， Java 对象内存布局如下:

如上图所示，在创建一个对象后，在 JVM 虚拟机( HotSpot )中，对象在 Java 内存中的存储布局 可分为三块:

对象头区域

存放锁信息，对象年龄等信息

实例数据区域

此处存储的是对象真正有效的信息，比如对象中所有字段的内容

对齐填充区域

JVM 的实现 HostSpot 规定对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话来说，现在 64 位的 OS 往外读取数据的时候一次性读取 64bit 整数倍的数据，也就是 8 个字节，所以 HotSpot 为了高效读取对象，就做了"对齐"，如果一个对象实际占的内存大小不是 8byte 的整数倍时，就"补位"到 8byte 的整数倍。所以对齐填充区域的大小不是固定的。

synchronized用的锁是存在Java对象头里的，如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit，如下图：

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下图所示：

在Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

九、偏向锁

偏向锁的操作根本没有去找操作系统， 每个对象都有对象头，看看这个account对象的所谓“对象头”，其中有个叫做Mark Word：里边有几个标识位，还有其他数据。

JVM使用CAS操作把线程ID记录到了这个Mark Word当中，修改了标识位，当前线程就拥有这把锁了

可以看出：JVM不用和操作系统协商设置Mutex，它只记录下线程ID，就表示当前线程拥有这把锁了，不用操作系统介入

这时线程获得了锁，可以执行synchronized修饰的代码块。

当线程再次执行到这个synchronized的时候，JVM通过锁对象account的Mark Word判断：“当前线程ID还在，还持有着这个对象的锁，就可以继续进入临界区执行

这就是偏向锁，在没有别的线程竞争的时候，一直偏向当前线程，当前线程可以一直执行

十、轻量级锁

继续沿着偏向锁思路研究

另一个线程0x3704也要进入这个代码块执行，但是锁对象account 保存的是当前线程ID，他是没法进入临界区的。

这时也不需要和操作系统交流，JVM可以对偏向锁升级一下，变成一个轻量级的锁。

JVM把锁对象account恢复成无锁状态，在当前两线程的栈帧中各自分配了一个空间，叫做Lock Record，把锁对象account的Mark Word在俩线程的栈帧中各自复制了一份，叫做Displaced Mark Word

然后当前线程的Lock Record的地址使用CAS放到了Mark Word当中，并且把锁标志位改为00， 这意味着当前线程也已经获得了这个轻量级的锁了，可以继续进入临界区执行。

0x3704线程没有获得锁，但不阻塞，JVM让他自旋几次，等待一会儿。等当前退出临界区，释放锁的时候，需要把这个Displaced markd word 使用CAS复制回去。接下来他就可以加锁了。

两线程交替着进入临界区，执行这段代码，相安无事，很少出现真正的竞争。

即使是出现了竞争，想获得锁的线程只要自旋几次，等待一会儿，锁就可能释放了。

很明显，如果没有竞争或者轻度的竞争，轻量级锁仅仅使用CAS操作和Lock record就避免了重量级互斥锁的开销

十一、重量级锁

再次分析：轻量级锁运行时，一线程0x3704 正在持有锁。另一线程自旋了好多次，0x3704还是没释放锁。 这时候JVM考虑自旋次数太多了浪费CPU。接则升级为重量级锁！

重量级锁需要操作系统的介入，依赖操作系统底层的Mutex Lock。

JVM创建了一个monitor 对象，把这个对象的地址更新到了Mark word当中。

在持有锁运行，而另一线程则切换进程状态至：阻塞

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