【java并发】基于JUC CAS原理,自己实现简单独占锁

synchronized的基本原理回顾

在jvm内部，所有对象都含有单一的锁，jvm负责跟踪监视被加锁次数,叫做对象监视器。当线程第一次给对象加锁的时候，计数器会加1，离开时会减1.同样任务是可重入的，每次重入也是加1，离开减1.

synchronized是独占式的，拿到对象锁才能继续，没有获取到锁就会阻塞。

JUC CAS乐观锁基本原理

synchronized就是一种独占锁，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

乐观锁就是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试。

原理有点类似于在数据库记录字段增加一个版本号，每次更新的时候做两个事情：

1.检查数据库记录当前的版本号和读取到的版本号是否一致，不一致说明数据已不是最新，更新失败需要重试.

2.如果版本号一致，更新成功，同时将版本号加1.

在jdk1.5开始，Doug Lea在JUC类库里提供了类似的乐观锁的机制叫CAS.

CAS简介:compareAndSet的意思，就是先比较是否是期望值(是期望值，说明没人更改过，当然也有可能有ABA情况),如果是再设值，不是就设值失败，线程阻塞。如果是基于这个，就要保证比较和设值这两个动作是原子性的，如何保证呢？这个是借助于JNI，利用CPU硬件支持来完成的。利用硬件提供swap和test_and_set指令，单CPU下同一指令的多个指令周期不可中断，SMP中通过锁总线支持这两个指令的原子性。

volilate关键字

Java语言规范允许线程保存共享成员变量的私有拷贝，当线程进入或者离开同步代码块时才与共享成员变量的原始值对比。这样就延伸出可见性的一个问题。

CAS解决了比较和更新的原子性，但是还有另外一个问题就是要保证可见性。Volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

volatile关键字有两层含义：

1.对于这个成员变量不能保存它的私有拷贝，而应直接与共享成员变量交互。

2.volatile前后的代码不能重排

其他话题

volilate和cas只能乐观锁保证的状态控制的正确，而在设置状态失败的时候，仍然需要阻塞线程。juc里提供了LockSupport的park和unpark方法用于阻塞线程。而不同的场景下需要不同的等待策略和锁共享策略，juc提供了AbstractQueuedSynchronizer（AQS）为基类的一序列不同的锁，底层都是基于CAS、LocakSupport和Queue来管理，后续有时间细细分析。

juc基于的CAS，提供了带有原子性的基本类型封装类，如AtomicInteger、AtomicLong等。

AtomicInteger原理：

如自增：

Java代码







/**
* Atomically increments by one the current value.

*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next)) //cas

return current;
}
}

/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))  //cas
return current;
}
}

compareAndSet的实现如下：

Java代码







public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {

urn unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); //JNI调用

}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); //JNI调用
}

自己实现简单乐观独占锁

基于cas，本人简单实现了一个乐观独占锁，代码如下：

基于CAS简单乐观独占锁

Java代码







package lock.test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

/**
* 简单乐观独占锁
*/
public class OptimisticExclusiveLock {

/**
* 独占锁标记 true 锁不可用 false 锁可用
*/
private AtomicBoolean state = new AtomicBoolean(false);
List<Thread> queue = new ArrayList<Thread>();//阻塞队列

public boolean lock() {
if (!state.get()&&state.compareAndSet(false, true)) {//取锁成功不会阻塞，程序会继续执行

return true; // 利用CAS

} else {
queue.add(Thread.currentThread());//加入阻塞队列

LockSupport.park();//阻塞线程

return false;
}
}

public boolean unLock() {
if (state.get()) {
queue.remove(Thread.currentThread());//从队列里移除

if (state.compareAndSet(true, false)) {// 利用CAS

if(!queue.isEmpty()){
LockSupport.unpark(queue.get(0));//唤醒第一个等待线程

}
return true;
}
return false;
} else {
return false;
}
}
}

package lock.test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

/**
* 简单乐观独占锁
*/
public class OptimisticExclusiveLock {

/**
* 独占锁标记 true 锁不可用 false 锁可用
*/
private AtomicBoolean state = new AtomicBoolean(false);
List<Thread>          queue = new ArrayList<Thread>();//阻塞队列

public boolean lock() {
if (!state.get()&&state.compareAndSet(false, true)) {//取锁成功不会阻塞，程序会继续执行
return true; // 利用CAS
} else {
queue.add(Thread.currentThread());//加入阻塞队列
LockSupport.park();//阻塞线程
return false;
}
}

public boolean unLock() {
if (state.get()) {
queue.remove(Thread.currentThread());//从队列里移除
if (state.compareAndSet(true, false)) {// 利用CAS
if(!queue.isEmpty()){
LockSupport.unpark(queue.get(0));//唤醒第一个等待线程
}
return true;
}
return false;
} else {
return false;
}
}
}

简单乐观独占锁测试

Java代码







package lock.test;

/**
* @author Administrator 独占锁测试
*/
public class OptimisticExclusiveLockTest {

public static OptimisticExclusiveLock lock = new OptimisticExclusiveLock(); // 独占锁

public static volatile int i = 0; // 保证可见性

public class Task implements Runnable {

@Override
public void run() {
while (true) {
try {
lock.lock();//加锁

i += 2;
System.out.println("thread name:" + Thread.currentThread().getName() + " i=" + i);
} finally {
lock.unLock();//释放锁

try {
Thread.currentThread().sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block

e.printStackTrace();
}
}
}
}
}

public void runTask() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {

Thread t = new Thread(new Task(), "thread" + i);
t.start();
}
}

public static void main(String[] args) {
OptimisticExclusiveLockTest test = new OptimisticExclusiveLockTest();
test.runTask();

}
}

package lock.test;

/**
* @author Administrator 独占锁测试
*/
public class OptimisticExclusiveLockTest {

public static OptimisticExclusiveLock lock = new OptimisticExclusiveLock(); // 独占锁
public static volatile int            i    = 0;                            // 保证可见性

public class Task implements Runnable {

@Override
public void run() {
while (true) {
try {
lock.lock();//加锁
i += 2;
System.out.println("thread name:" + Thread.currentThread().getName() + " i=" + i);
} finally {
lock.unLock();//释放锁
try {
Thread.currentThread().sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}

public void runTask() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
Thread t = new Thread(new Task(), "thread" + i);
t.start();
}
}

public static void main(String[] args) {
OptimisticExclusiveLockTest test = new OptimisticExclusiveLockTest();
test.runTask();

}
}

这里实现的简单乐观独占锁很简单，但是能保证并发性。

JUC里面基于CAS实现了很多的锁，主要是基于AQS实现，如ReentrantLock,CountDownLatch,Semaphore,FutureTask等，适用于不同的锁场景。

转自：/article/4132757.html