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详解JAVA如何实现乐观锁以及CAS机制

作者：JAVA旭阳

悲观锁和乐观锁其实本质都是一种思想，在JAVA中对于悲观锁的实现大家可能都很了解，可以通过synchronized、ReentrantLock加锁实现，本文不展开讲解了。那么乐观锁在JAVA中是如何实现的呢？底层的实现机制又是什么呢？本文就来和大家详细讲讲

前言

生活中我们看待一个事物总有不同的态度，比如半瓶水，悲观的人会觉得只有半瓶水了，而乐观的人则会认为还有半瓶水呢。很多技术思想往往源于生活，因此在多个线程并发访问数据的时候，有了悲观锁和乐观锁。

悲观锁和乐观锁其实本质都是一种思想，在JAVA中对于悲观锁的实现大家可能都很了解，可以通过synchronized、ReentrantLock加锁实现，本文不展开讲解了。那么乐观锁在JAVA中是如何实现的呢？底层的实现机制又是什么呢？

问题引入

我们用一个账户取钱的例子来说明乐观锁和悲观锁的问题。

public class AccountUnsafe {
     // 余额
     private Integer balance;
    
     public AccountUnsafe(Integer balance) {
     	this.balance = balance;
     }
    
    @Override
     public Integer getBalance() {
     	return balance;
     }
    
     @Override
     public void withdraw(Integer amount) {
     	balance -= amount;
     }
}

账户类，withdraw()方法是取钱方法。

public static void main(String[] args) {
        // 账户10000元
        AccountUnsafe account = new AccountUnsafe(10000);
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        // 1000个线程，每次取10元
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        // 打印账户余额和花费时间
        log.info("账户余额：{}, 花费时间: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }

账户默认有10000元，1000个线程取钱，每次取10元，最后账户应该还有多少钱呢？

运行结果：

运行结果显示余额还有150元，显然出现并发问题。

原因分析:

原因也很简单，取钱方法withdraw()的操作balance -= amount;看着就一行代码，实际上会生成多条指令，如下图所示：

多个线程运行的时候会进行线程切换，导致这个操作不是原子性，所以不是线程安全的。

悲观锁解决

最简单的方法，我想大家都能想到吧，给withdraw()方法加锁，保证同一时刻只有一个线程能够执行这个方法，保证了原子性。

通过synchronized关键字加锁。

运行结果：

运行结果正常，但是花费时间稍微多了一点

乐观锁解决

关键来了，如果用乐观锁的思想在JAVA中该如何实现呢？

大致思路就是我默认不加任何锁，我先把余额减掉10元，最后更新余额的时候，发现余额和我一开始不一样了，我就丢弃当前更新操作，重新读取余额的值，直到更新成功。

找啊找，最终发现JDK中的Unsafe方法提供了这样的方法compareAndSwapInt。

那么是如何获取unsafe呢?

静态方法中通过反射的方法获取，因为Unsafe类太底层了，它一般不建议程序员直接使用。

这个Unsafe类的名称并不是说线程不安全的意思，只是这个类太底层了，不要乱用，对程序员来说不大安全。

最后别忘了余额balance要加volatile修饰。

主要为了保证可见性，让线程能够获取到其他线程修改的结果。

运行结果：

余额也为0，正常，而且运行速度稍微快了一丢丢

完成代码：

@Slf4j(topic = "a.AccountCAS")
public class AccountCAS {
    // 余额
    private volatile int balance;
    // Unsafe对象
    static final Unsafe unsafe;
    // balance 字段的偏移量
    static final long BALANCE_OFFSET;
    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
            // balance 属性在 AccountCAS 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            BALANCE_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(AccountCAS.class.getDeclaredField("balance"));
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public AccountCAS(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public int getBalance() {
        return balance;
    }

    public void withdraw(Integer amount) {
        // 自旋
        while (true) {
            // 获取老的余额
            int oldBalance = balance;
            // 获取新的余额
            int newBalance = oldBalance - amount;
            // 更新余额，BALANCE_OFFSET表示balance属性的偏移量， 返回true表示更新成功， false更新失败，继续更新
            if(unsafe.compareAndSwapInt(this, BALANCE_OFFSET, oldBalance, newBalance)) {
                return;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 账户10000元
        AccountCAS account = new AccountCAS(10000);
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        // 1000个线程，每次取10元
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        // 打印账户余额和花费时间
        log.info("账户余额：{}, 花费时间: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

乐观锁改进

好麻烦呀，我们自己调用原生的UnSafe类实现乐观锁，有什么更好的方式吗？

当然有，其实JDK给我们封装了很多基于UnSafe乐观锁实现的原子类，比如AtomicInteger、AtomicReference等等。我们用AtomicInteger改写下上面的实现。

运行结果：

原理：

查看源码最终也是调用的Unsafe方法。

CAS机制

前面的一个取钱的例子，大家是不是对乐观锁的思想以及在JAVA中的实现更深入的认识。

在JAVA中对这种实现起了一个名字，叫做CAS, 全称Compare And Swap，是不是很形象，先比较，然后再替换。

那CAS的本质是什么？

CAS先比较然后再替换，感觉是有2步，比较和替换，不像是原子性操作，如果不是原子性操作问题就可大了。实际上，CAS本质对应的是一条指令，是原子操作。

CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。

强调一点，CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果，因为volatile会保证变量的可见性。

总结

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景或者读多写少的场景。

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。

synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。

CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思

因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一

但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

到此这篇关于详解JAVA如何实现乐观锁以及CAS机制的文章就介绍到这了,更多相关JAVA乐观锁 CAS机制内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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