锁策略、CAS、synchronized原理-创新互联

1.常见的锁策略

（1）乐观锁 和 悲观锁

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乐观锁：预测锁竞争的情况不激烈（工作量较少）

悲观锁：预测锁竞争的情况很激烈（工作量较多）

（2）轻量级锁 和 重量级锁

轻量级锁：加锁和解锁的开销较小，效率更高。（乐观锁通常是一个轻量级锁）

重量级锁：加锁和解锁的开销较大，效率较低。（悲观锁通常是一个重量级锁）

（3）自旋锁 和 挂起等待锁

自旋锁：是一种典型的轻量级锁，会不断去尝试获取锁。

挂起等待锁：是一种典型的重量级锁，会进入阻塞队列，暂时不参与cpu调度。

（4）互斥锁 和 读写锁

互斥锁：synchronized锁就是一个互斥锁，如果一个线程加锁了，另一个线程要获取锁，会进入阻塞等待。

读写锁：如果多个线程都只进行读操作，那么此时是没有线程问题的，无需加锁。而如果在锁中的代码有读也有写，或者全是写（简单来说就是代码中带有写操作）才会进行加锁。

（5）公平锁 和 非公平锁

公平锁：假如有两个线程一个阻塞等待了1分钟，一个等待10秒钟，此时锁被释放会先给等待时间长的加锁。

非公平锁：仍然是上面的情况，但是此时它们的获取概率相等。

（6）可重入锁 和 不可重入锁

可重入锁：一个线程重复加多次锁，不会死锁。

不可重入锁：一个线程重复加两次锁，会出现死锁。

2.synchronized实现了哪些锁策略

（1）synchronized既是一个乐观锁又是一个悲观锁

默认是乐观锁，如果竞争激烈会转变为悲观锁。

（2）synchronized既是一个轻量级锁又是一个重量级锁

默认是轻量级锁（乐观锁），如果竞争激烈会转变为重量级锁（悲观锁）。

（3）synchronized的轻量级锁是基于自旋锁的方式实现的；synchronized的重量级锁是基于挂起等待锁的方式实现的。

（4）synchronized是互斥锁，不是读写锁

（5）synchronized是非公平锁

（6）synchronized是可重入锁

3.CAS 3.1 CAS的工作原理

CAS全称：Compare and swap ，字面意思就是：比较并交换

它的运行原理是：

假设内存中的元数据V，V的预期值A，需要修改的值B

（1）比较V和A是否相等

（2）如果相等，则将B写入V（交换B和V）

（3）返回操作结果是否成功

3.2 CAS与线程安全

CAS并非是通过一段代码来实现的，它是通过一条cpu指令完成的。

所以CAS操作时原子的，可以在一定程度上回避线程安全问题。

不过CAS并不通用，更多的时候还是会使用synchronized来解决线程安全问题。

3.3 CAS的作用

（1）实现原子类：在Java中有一种类：原子类（Java标准库提供的），原子类是基于CAS实现的，里面有一些方法可以实现数据的自增、自减等操作。

（2）实现自旋锁：自旋锁的实现形式可以用原子类来完成，每次去获取锁时进行一次CAS操作，然后循环去获取即可。

3.4 CAS的典型问题：ABA问题

在CAS运行中会检查value（V）和oldValue（A）的值是否相等，这个时候有两种可能：第一种是没有被改过，第二种是被改过但是被还原回来了。但是CAS在判定时仍然是将其判定为相等。

假如：我去银行的提款机取钱，我的账户上有1000元，我要取500元，但是我不小心嗯了两次，并且两次都受理了，假设它的内部逻辑是通过CAS实现的，那么我第一次取钱判定余额为1000通过成功出了500元，但是在第二次判定之前有人给我转了500元进来，所以第二次判定时仍然是1000元，所以提款机又给我吐了500，但是按照我的想法，CAS不应该执行后面的操作，也就不应该再给我吐出500，此时就出现了问题。

而针对当前的问题，采取的方案就是假如一个版本号。

假设初始版本号是1，每次修改版本号都进行+1，然后进行CAS的时候，就不以数值基准了，而是以版本号为基准，此时版本号没变，那么就一定没有发生变化（因为版本号只能增不能减，无法还原回去）

4.synchronized原理

synchronized的工作原理是当两个线程针对同一个对象加锁时，会产生阻塞等待。

除此之外，synchronized的内部还有一些优化机制，目的是为了让这个锁更加高效好用。

4.1 锁升级/锁膨胀

synchronized在加锁后会进入这样的几种状态。

（1）无锁

此时synchronized没有被加锁

（2）偏向锁

此时有线程对其加锁，但是此时的加锁并非真正的加锁操作，只是在锁对象上打了一个标记，并没有进行实际的加锁操作，此时的偏向锁比起真正的加锁的开销要少了很多，但是这种状态只存在与没有锁竞争的情况下，如果有其他线程对其尝试加锁，那么就会进行真正的加锁操作，反之，如果执行到了末尾也没有其他线程来加锁，此时就不会加锁，直接把标记消除掉就好了。

（3）轻量级锁

当在偏向锁的阶段有其他线程对其进行加锁，也就是发生锁竞争的时候，那么偏向锁就会升级成为轻量级锁，此时会通过自旋锁的方式进行加锁的，但是不断的去获取锁也会占用cpu资源。此时，如果加锁的线程很快就将锁释放掉，那么自然相安无事，此时的自旋也是划算的；但是，如果迟迟拿不到锁，也就是自旋到一定程度时，就会升级成为重量级锁（挂起等待锁）。

（4）挂起等待锁

如果线程进行了重量级锁的加锁，并且发生了锁竞争，此时竞争的线程就会放入到阻塞队列中，暂时不参与cpu的调度，直到锁被释放，这个线程才有机会被调度到，并且有机会获取锁。

注意：锁的升级是不可以倒退的。

4.2 锁消除

锁消除是编译器的一种智能判定，判断当前代码是否真的需要加锁。

如果加锁代码在某个场景中没有线程安全问题，不需要加锁，那么编译器就会把锁给干掉。

比如StringBuffer，它的关键方法都带有synchronized，但是如果我在单线程的环境下去使用它，那么它的加锁操作就会变得毫无意义，此时编译器就会将锁给干掉了。

4.3 锁粗化

通常情况下，我们希望锁的粒度越细越好，也就是加锁的代码越少越好，因为锁的粒度越细，可以被并发的代码就越多，反之就越少。

但是在有些情况下，锁的粒度反而粗一点会更好，如下：

图中被红色圈住的部分是要加锁的代码，没被圈住的部分是可以不加锁的代码，此时可以看到，每次的解锁与加锁之间的间隔非常的小，因为加锁和解锁的操作也是有一定开销的，在一段代码中频繁大量的进行加锁解锁操作，那么并发带来的效益可能还不如频繁加锁的带来消耗多。就好比：

我完成了三个工作，要汇报给自己的领导

打电话--汇报工作1--挂电话 间隔一分钟

打电话--汇报工作2--挂电话 间隔一分钟

打电话--汇报工作3--挂电话

此时领导一定被你烦的不行，为什么不可以一次性汇报完呢？

在这里也是同样的道理，打电话相当于加锁，挂电话相当于解锁，如果将那些小的间隔也一并加入锁中，如下：

此时，将多个加锁操作合并为一个整体，就可以将上述的情况解决了。

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