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樂觀鎖思想在JAVA中的實現——CAS

2022-12-05 18:01:08

更多技術幹活盡在個人公眾號——JAVA旭陽

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於生活，因此在多個執行緒並行存取資料的時候，有了悲觀鎖和樂觀鎖。

  • 悲觀鎖認為這個資料肯定會被其他執行緒給修改了，那我就給它上鎖，只能自己存取，要等我存取完，其他人才能存取，我上鎖、解鎖都得花費我時間。
  • 樂觀鎖認為這個資料不會被修改，我就直接存取，當我發現資料真的修改了，那我也「禮貌的」讓自己存取失敗。

悲觀鎖和樂觀鎖其實本質都是一種思想，在JAVA中對於悲觀鎖的實現大家可能都很瞭解，可以通過synchronized、ReentrantLock加鎖實現，本文不展開講解了。那麼樂觀鎖在JAVA中是如何實現的呢？底層的實現機制又是什麼呢？

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 {
     // 餘額
     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個執行緒，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();
        // 列印賬戶餘額和花費時間
        log.info("賬戶餘額：{}, 花費時間: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
  • 賬戶預設有10000元，1000個執行緒取錢，每次取10元，最後賬戶應該還有多少錢呢？

執行結果：

  • 執行結果顯示餘額還有150元，顯然出現並行問題。

原因分析:

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

多個執行緒執行的時候會進行執行緒切換，導致這個操作不是原子性，所以不是執行緒安全的。

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執行緒能夠執行這個方法，保證了原子性。

  • 通過synchronized關鍵字加鎖。

執行結果：

  • 執行結果正常，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？

大致思路就是我預設不加任何鎖，我先把餘額減掉10元，最後更新餘額的時候，發現餘額和我一開始不一樣了，我就丟棄當前更新操作，重新讀取餘額的值，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。

  • 先獲取老的餘額oldBalance，計算出新的餘額newBalance
  • 呼叫 unsafe.compareAndSwapInt()方法，如果記憶體中餘額屬性的偏移量BALANCE_OFFSET對應的值等於老的餘額，說明的確沒有被其他執行緒存取修改過，我就大膽的更新為newBalance，退出方法
  • 否則的話，我就要進入下一次迴圈，重新獲取餘額計算。

那麼是如何獲取unsafe呢?

  • 靜態方法中通過反射的方法獲取，因為Unsafe類太底層了，它一般不建議程式設計師直接使用。

這個Unsafe類的名稱並不是說執行緒不安全的意思，只是這個類太底層了，不要亂用，對程式設計師來說不大安全。

最後別忘了餘額balance要加volatile修飾。

  • 主要為了保證可見性，讓執行緒能夠獲取到其他執行緒修改的結果。

執行結果：

  • 餘額也為0，正常，而且執行速度稍微快了一丟丟

完成程式碼：

@Slf4j(topic = "a.AccountCAS")
public class AccountCAS {
    // 餘額
    private volatile int balance;
    // Unsafe物件
    static final Unsafe unsafe;
    // balance 欄位的偏移量
    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 物件中的偏移量，用於 Unsafe 直接存取該屬性
            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) {
            // 獲取老的餘額
            int oldBalance = balance;
            // 獲取新的餘額
            int newBalance = oldBalance - amount;
            // 更新餘額，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個執行緒，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();
        // 列印賬戶餘額和花費時間
        log.info("賬戶餘額：{}, 花費時間: {}", account.getBalance(), (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

樂觀鎖改進

好麻煩呀，我們自己呼叫原生的UnSafe類實現樂觀鎖，有什麼更好的方式嗎？

當然有，其實JDK給我們封裝了很多基於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作為餘額的型別
  • 取錢邏輯直接呼叫addAndGet方法

執行結果：

原理：

檢視原始碼最終也是呼叫的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，然後再替換。

那CAS的本質是什麼？

CAS先比較然後再替換，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 必須藉助 volatile 才能讀取到共用變數的最新值來實現【比較並交換】的效果，因為volatile會保證變數的可見性。

總結

結合 CAS 和 volatile 可以實現無鎖並行，適用於執行緒數少、多核 CPU 的場景或者讀多寫少的場景。

  • CAS 是基於樂觀鎖的思想：最樂觀的估計，不怕別的執行緒來修改共用變數，就算改了也沒關係，我吃虧點再重試唄。
  • synchronized 是基於悲觀鎖的思想：最悲觀的估計，得防著其它執行緒來修改共用變數，我上了鎖你們都別想改，我改完了解開鎖，你們才有機會。
  • CAS 體現的是無鎖並行、無阻塞並行，請仔細體會這兩句話的意思
    • 因為沒有使用 synchronized，所以執行緒不會陷入阻塞，這是效率提升的因素之一
    • 但如果競爭激烈，可以想到重試必然頻繁發生，反而效率會受影響

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