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Java中自旋锁与CAS机制的深层关系与区别

作者：L.EscaRC

CAS算法即比较并替换,是一种实现并发编程时常用到的算法,Java并发包中的很多类都使用了CAS算法,这篇文章主要介绍了Java中自旋锁与CAS机制深层关系与区别的相关资料,需要的朋友可以参考下

1. 引言

在现代多核处理器架构下，Java并发编程已成为构建高性能、高吞吐量应用的关键技术。然而，线程间的同步与协作带来了巨大的挑战，其中最核心的问题是如何在保证数据一致性的前提下，最大限度地减少同步开销。传统的阻塞锁（如synchronized和ReentrantLock）通过挂起和唤醒线程来管理竞争，但这涉及用户态到内核态的切换，带来了不可忽视的性能成本。为了应对这一挑战，Java引入了更为轻量级的同步机制，其中，CAS操作和自旋锁扮演了至关重要的角色。

2. 比较并交换 (Compare-and-Swap, CAS) 核心原理

CAS是一种非阻塞的原子性操作，是现代并发算法的基石，尤其在无锁（Lock-Free）数据结构的设计中占据核心地位。

2.1 CAS 操作的定义与工作流程

CAS操作包含三个核心操作数：

  1. 内存位置 V (Memory Location) ：需要被更新的变量的内存地址。
  2. 预期值 A (Expected Value) ：线程认为该内存位置当前应该持有的值。
  3. 新值 B (New Value) ：如果内存位置的值与预期值A相匹配，将被写入的新值。

其工作流程是一个不可分割的原子步骤：当且仅当内存位置V的当前值等于预期值A时，处理器才会原子地将V的值更新为B。否则，处理器不做任何操作。 无论更新是否成功，操作都会返回V之前的值 。这种“比较后交换”的机制允许线程在不加锁的情况下，安全地修改共享变量。

2.2 Java中CAS的实现机制

Java中的CAS并非凭空实现，它依赖于从硬件到JVM再到Java类库的多层协同。

2.3 CAS的内存顺序保证

为了在多线程环境中正确工作，CAS不仅需要保证原子性，还必须提供严格的内存可见性和有序性保证。

2.4 CAS的局限性

尽管功能强大，但CAS并非万能，它存在一些固有的问题：

3. 自旋锁 (Spin Lock) 机制详解

自旋锁是一种基于“忙等待”（Busy-Waiting）的锁机制，它在尝试获取锁时表现出与传统阻塞锁截然不同的行为。

3.1 自旋锁的基本概念

自旋锁是一种非阻塞锁。当一个线程尝试获取一个已被占用的自旋锁时，该线程不会被操作系统挂起（进入阻塞状态），而是会执行一个忙循环（自旋），反复检查锁是否已经释放。

这种机制的理论基础是：如果锁的持有时间非常短暂，那么线程自旋等待的CPU开销，可能要小于线程阻塞和唤醒所涉及的上下文切换开销。因此，自旋锁特别适用于以下场景：

3.2 Java中自旋锁的实现方式

在Java中，开发者可以利用原子类来自定义简单的自旋锁。

基于CAS的自定义实现：最常见的实现方式是使用AtomicBoolean或AtomicReference< Thread>。以AtomicBoolean为例，锁的状态可以用一个布尔值表示（true为锁定，false为未锁定）。lock()方法通过一个循环调用compareAndSet(false, true)来尝试将状态从未锁定变为锁定。如果成功，则获取锁；如果失败，则继续循环。unlock()方法则直接将状态设置为false 。
一个简单的代码示例如下 ：

public class SpinLock {
    private AtomicBoolean available = new AtomicBoolean(false); // false代表锁可用

    public void lock() {
        // 使用compareAndSet进行自旋，期望从false变为true
        while (!available.compareAndSet(false, true)) {
            // 自旋等待
            // JDK 9+ 可以使用 Thread.onSpinWait(); 来提高效率
        }
    }

    public void unlock() {
        available.set(false);
    }
}

3.3 JVM内置的自旋锁优化

Java虚拟机（JVM）自身在synchronized关键字的实现中，深度集成了自旋锁作为一种重要的性能优化手段。

3.4 AQS框架中的自旋行为

AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 是java.util.concurrent包下众多同步组件（如ReentrantLock, Semaphore）的基石。AQS在线程入队等待之前，也会进行一种“前置”的自旋尝试。当一个线程调用acquire方法尝试获取锁失败后，在被构造成节点（Node）加入等待队列之前，它会进行有限次数的快速自旋尝试，这给了线程一个在进入漫长等待前“插队”成功的机会，从而减少了入队和后续park/unpark的开销 。在JDK 9之后，AQS的自旋逻辑中还可能调用Thread.onSpinWait()方法，这是一个给处理器的提示，表明当前线程正在自旋，CPU可以据此进行能耗或执行流水线上的优化 。

4. 自旋锁与CAS的深层关系与区别

理解自旋锁和CAS，关键在于辨析它们的层次和作用。

4.1 核心关系：CAS是自旋锁的实现基础

自旋锁的实现离不开CAS。 自旋锁的核心操作是“检查锁状态并尝试获取锁”，这个复合操作必须是原子的。如果使用非原子操作（如先读后写），在多线程环境下就会出现竞态条件。CAS恰好提供了这种原子性的“比较并设置”能力，完美地满足了自旋锁的需求。因此，无论是用户自定义的自旋锁，还是JVM内部轻量级锁的自旋，其本质都是在一个循环中执行CAS操作。

4.2 概念层次的区别

简而言之，可以说 自旋锁是一种使用CAS作为原子性保障的“忙等待”锁算法。

4.3 目标与用途的区别

5. 性能对比与场景选择

在实际开发中，选择CAS、自旋锁还是阻塞锁，需要对应用场景的并发特性有清晰的认识。

5.1 性能考量

5.2 场景选择指南

  1. 优先选择原子类（基于CAS）‍ ：当你的同步需求仅限于对单个共享变量（如计数器、状态标志）的原子更新时，java.util.concurrent.atomic包下的类是首选。它简单、高效且不易出错。

  2. 审慎选择自旋锁：仅在你确信锁的持有时间极短（通常在几十个纳秒级别），临界区内不包含任何可能导致线程阻塞的操作（如I/O），且运行在多核环境下时，才考虑使用自定义自旋锁。在大多数情况下，JVM对synchronized的自适应自旋优化已经足够好。

  3. 常规选择synchronized或ReentrantLock：对于绝大多数业务场景，特别是临界区逻辑复杂、执行时间不可控或存在激烈竞争时，传统的阻塞锁是更安全、更健壮的选择。得益于JVM多年来的锁优化（偏向锁、轻量级锁、自适应自旋、锁粗化、锁消除），synchronized在许多场景下的性能已经非常出色，并且语法简单。ReentrantLock则提供了更丰富的功能（如可中断的等待、公平性选择、尝试获取锁等），适用于更复杂的同步需求 。

总结 

到此这篇关于Java中自旋锁与CAS机制深层关系与区别的文章就介绍到这了,更多相关Java自旋锁与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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