JAVA怎么實現樂觀鎖及CAS機制

本篇內容介紹了“JAVA怎么實現樂觀鎖及CAS機制”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

前言

生活中我們看待一個事物總有不同的態度，比如半瓶水，悲觀的人會覺得只有半瓶水了，而樂觀的人則會認為還有半瓶水呢。很多技術思想往往源于生活，因此在多個線程并發訪問數據的時候，有了悲觀鎖和樂觀鎖。

• 悲觀鎖認為這個數據肯定會被其他線程給修改了，那我就給它上鎖，只能自己訪問，要等我訪問完，其他人才能訪問，我上鎖、解鎖都得花費我時間。

• 樂觀鎖認為這個數據不會被修改，我就直接訪問，當我發現數據真的修改了，那我也“禮貌的”讓自己訪問失敗。

悲觀鎖和樂觀鎖其實本質都是一種思想，在JAVA中對于悲觀鎖的實現大家可能都很了解，可以通過synchronized、ReentrantLock加鎖實現。

問題引入

我們用一個賬戶取錢的例子來說明樂觀鎖和悲觀鎖的問題。

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

賬戶類，withdraw()方法是取錢方法。

public static void main(String[] args) {
        // 賬戶10000元
        AccountUnsafe account = new AccountUnsafe(10000);
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        // 1000個線程，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();
        // 打印賬戶余額和花費時間
        log.info("賬戶余額：{}, 花費時間: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }

賬戶默認有10000元，1000個線程取錢，每次取10元，最后賬戶應該還有多少錢呢？

運行結果：

運行結果顯示余額還有150元，顯然出現并發問題。

原因分析:

原因也很簡單，取錢方法withdraw()的操作balance -= amount;看著就一行代碼，實際上會生成多條指令，如下圖所示：

多個線程運行的時候會進行線程切換，導致這個操作不是原子性，所以不是線程安全的。

悲觀鎖解決

最簡單的方法，我想大家都能想到吧，給withdraw()方法加鎖，保證同一時刻只有一個線程能夠執行這個方法，保證了原子性。

通過synchronized關鍵字加鎖。

運行結果：

運行結果正常，但是花費時間稍微多了一點

樂觀鎖解決

關鍵來了，如果用樂觀鎖的思想在JAVA中該如何實現呢？

大致思路就是我默認不加任何鎖，我先把余額減掉10元，最后更新余額的時候，發現余額和我一開始不一樣了，我就丟棄當前更新操作，重新讀取余額的值，直到更新成功。

找啊找，最終發現JDK中的Unsafe方法提供了這樣的方法compareAndSwapInt。

• 先獲取老的余額oldBalance，計算出新的余額newBalance

• 調用 unsafe.compareAndSwapInt()方法，如果內存中余額屬性的偏移量BALANCE_OFFSET對應的值等于老的余額，說明的確沒有被其他線程訪問修改過，我就大膽的更新為newBalance，退出方法

• 否則的話，我就要進入下一次循環，重新獲取余額計算。

那么是如何獲取unsafe呢?

靜態方法中通過反射的方法獲取，因為Unsafe類太底層了，它一般不建議程序員直接使用。

這個Unsafe類的名稱并不是說線程不安全的意思，只是這個類太底層了，不要亂用，對程序員來說不大安全。

最后別忘了余額balance要加volatile修飾。

主要為了保證可見性，讓線程能夠獲取到其他線程修改的結果。

運行結果：

余額也為0，正常，而且運行速度稍微快了一丟丟

完成代碼：

@Slf4j(topic = "a.AccountCAS")
public class AccountCAS {
    // 余額
    private volatile int balance;
    // Unsafe對象
    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 屬性在 AccountCAS 對象中的偏移量，用于 Unsafe 直接訪問該屬性
            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) {
            // 獲取老的余額
            int oldBalance = balance;
            // 獲取新的余額
            int newBalance = oldBalance - amount;
            // 更新余額，BALANCE_OFFSET表示balance屬性的偏移量， 返回true表示更新成功， false更新失敗，繼續更新
            if(unsafe.compareAndSwapInt(this, BALANCE_OFFSET, oldBalance, newBalance)) {
                return;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 賬戶10000元
        AccountCAS account = new AccountCAS(10000);
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        // 1000個線程，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();
        // 打印賬戶余額和花費時間
        log.info("賬戶余額：{}, 花費時間: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

樂觀鎖改進

好麻煩呀，我們自己調用原生的UnSafe類實現樂觀鎖，有什么更好的方式嗎？

當然有，其實JDK給我們封裝了很多基于UnSafe樂觀鎖實現的原子類，比如AtomicInteger、AtomicReference等等。我們用AtomicInteger改寫下上面的實現。

• 使用JDK中的原子類AtomicInteger作為余額的類型

• 取錢邏輯直接調用addAndGet方法

運行結果：

原理：

查看源碼最終也是調用的Unsafe方法。

CAS機制

前面的一個取錢的例子，大家是不是對樂觀鎖的思想以及在JAVA中的實現更深入的認識。

在JAVA中對這種實現起了一個名字，叫做CAS, 全稱Compare And Swap，是不是很形象，先比較，然后再替換。

那CAS的本質是什么？

CAS先比較然后再替換，感覺是有2步，比較和替換，不像是原子性操作，如果不是原子性操作問題就可大了。實際上，CAS本質對應的是一條指令，是原子操作。

CAS 的底層是 lock cmpxchg 指令（X86 架構），在單核 CPU 和多核 CPU 下都能夠保證【比較-交換】的原子性。

強調一點，CAS 必須借助 volatile 才能讀取到共享變量的最新值來實現【比較并交換】的效果，因為volatile會保證變量的可見性。

“JAVA怎么實現樂觀鎖及CAS機制”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！