加鎖還是不加鎖，這是一個(gè)問(wèn)題

作者：劉欣 2017-06-02 08:48:29

雖說(shuō)鎖是個(gè)好東西，但是我們線程日常使用的都是互斥鎖，互斥，就是同一時(shí)刻只有獲得鎖的那個(gè)線程才有資格去操作共享資源，別的線程都阻塞住了，被放到了一個(gè)叫鎖池(Lock pool)的地方，什么事情都干不了。

1 .前言

上次我說(shuō)過(guò)，我們這個(gè)線程的世界是個(gè)弱肉強(qiáng)食的地方，大家為了爭(zhēng)搶資源大打出手，時(shí)不時(shí)鬧出些內(nèi)存數(shù)據(jù)互相被覆蓋的事故，給人類帶了無(wú)窮的煩惱。

后來(lái)線程元老院強(qiáng)勢(shì)出手，發(fā)明了一種鎖的機(jī)制，這才制止了內(nèi)亂。從此以后我們要訪問(wèn)共享的資源(共享變量，文件...)都得想辦法先申請(qǐng)到一把鎖才可以。

2 .互斥鎖

雖說(shuō)鎖是個(gè)好東西，但是我們線程日常使用的都是互斥鎖，所謂互斥，就是同一時(shí)刻只有獲得鎖的那個(gè)線程才有資格去操作共享資源，別的線程都阻塞住了，被放到了一個(gè)叫鎖池(Lock pool)的地方，什么事情都干不了。

比如說(shuō)這個(gè)簡(jiǎn)單的Sequence類吧，有100個(gè)線程拼命地?cái)D破頭去進(jìn)入next()方法，但由于synchronized的存在，大家必須得獲得一把鎖才可以，隔壁的小明運(yùn)氣不錯(cuò)，獲得了操作系統(tǒng)的垂青，喜滋滋的得到了寶貴的鎖，進(jìn)入了next()方法去做事了。

而我們剩下的99個(gè)線程大眼瞪小眼，除了嘆口氣，感慨下人生之不如意十之八九，還能干嘛?

老老實(shí)實(shí)地進(jìn)入鎖池里待著去吧!

等到隔壁小明做完了事情，美滋滋的拿著最新的value值出來(lái)以后，我們這99個(gè)在鎖池里吹牛的線程一躍而起，去競(jìng)爭(zhēng)那個(gè)剛剛被釋放的鎖。

但是下一個(gè)幸運(yùn)兒是誰(shuí)呢? 不知道?

有時(shí)候人類為了公平，會(huì)搞個(gè)隊(duì)列讓我們排好隊(duì)，先進(jìn)先出。但是我已經(jīng)活了4.998秒，人生快走到了盡頭，在這么長(zhǎng)的人生里，我體會(huì)到的真理是：公平實(shí)在是個(gè)稀缺貨，不公平才是常態(tài)!

所以年輕人不要老是抱怨這個(gè)社會(huì)，沒(méi)用的，還是老老實(shí)實(shí)的奮斗吧。

3 .不要加鎖?

平淡的日子就這么過(guò)著，有一天線程世界來(lái)了一個(gè)年輕人，自稱為小李, 他看著我們這么努力地奮斗著去爭(zhēng)搶那把鎖，不由地嘲笑道：你們真傻啊，難道不知道不加鎖也能做事嗎?

我們愣了一下，人群中立刻發(fā)出一陣爆笑：哈哈哈，這小子瘋了，沒(méi)有鎖豈不又回到互相覆蓋數(shù)據(jù)的日子了!

小李不甘示弱：你們這幫土老帽，把元老院的那幫老家伙的話當(dāng)做圣旨，豈不知天外有天，人外有人，這世界大得很吶!

這句話把我們鎮(zhèn)住了，我小心翼翼地問(wèn)：那你說(shuō)說(shuō)，不加鎖怎么才能保證正確性呢?

“就拿你們的那個(gè)Sequence類來(lái)說(shuō)吧，不就是并發(fā)的更新內(nèi)存中的一個(gè)值嗎，可以這么分為三步來(lái)做：

1. 從內(nèi)存中讀取value 值，假設(shè)為10，我們把這個(gè)值稱為A

2. B = A+1 得到 B = 11

3. 用A 和內(nèi)存的值相比，如果相等(就是說(shuō)在過(guò)去的一段時(shí)間，沒(méi)人修改內(nèi)存的值)，那就把B的值(11)寫(xiě)入內(nèi)存, 如果不相等(就是說(shuō)過(guò)去的一段時(shí)間，有人修改了內(nèi)存value 的值)，意味著A已經(jīng)不是最新值了，那就放棄這次修改，跳回第1步去”

我們面面相覷，就這么簡(jiǎn)單? 真的沒(méi)有加鎖啊。

隔壁的小明反應(yīng)最快：小李子，你這第三步有問(wèn)題啊，你看需要讀內(nèi)存吧，需要比較吧，還得寫(xiě)入內(nèi)存吧，這不是一個(gè)原子操作，在我們多線程并發(fā)執(zhí)行的時(shí)候，肯定會(huì)出問(wèn)題!

小李說(shuō)： “唉，說(shuō)你們老土吧，你們還不服氣，聽(tīng)說(shuō)過(guò)comare and swap 這個(gè)硬件指令沒(méi)有? 那個(gè)第三步其實(shí)就是一條硬件指令，保證原子執(zhí)行。在單個(gè)CPU上就不用說(shuō)了，如果是有多個(gè)CPU，這個(gè)指令甚至?xí)i住總線，確保同一時(shí)刻只有一個(gè)CPU能訪問(wèn)內(nèi)存!

這樣吧，干脆寫(xiě)成個(gè)指令： compareAndSwap(內(nèi)存的值, A , B) , 這下子明白了吧? 還不明白? 估計(jì)是人類的語(yǔ)言你們聽(tīng)起來(lái)不太明白，來(lái)吧，給你們來(lái)點(diǎn)熟悉的代碼：”

看到了我們熟悉的代碼，我的腦海飛速盤算：

假定我和小明都同時(shí)進(jìn)入了這段代碼，都讀到了內(nèi)存的值A(chǔ) = 10 , 然后小明的時(shí)間片到了，只好退出CPU, 我則愉快的繼續(xù)執(zhí)行。

對(duì)于我來(lái)說(shuō) A = 10 , B = 11, 然后我運(yùn)行compareAndSwap ,我發(fā)現(xiàn)我的A值和內(nèi)存值是相等的，于是就把新的值B寫(xiě)入內(nèi)存，并且返回，退出next 函數(shù)，收工回家。

等到小明再次被運(yùn)行的時(shí)候，由于他的初始值A(chǔ)也是10 ，他也得到B = 11，當(dāng)他運(yùn)行compareAndSwap 就發(fā)現(xiàn)A的值和內(nèi)存不相等了(因?yàn)槲腋某闪?1) ，那小明只好再次循環(huán)，獲得A = 11, B = 12 , 再次調(diào)用compareAndSwap ，如果還是被別人搶了先，小明只好再次循環(huán), 從內(nèi)存獲得A = 12 , B =13 .... 直到成功為止。

想到小明一直循環(huán)下去，累得要死的樣子，我”邪惡“地笑了。

我抬起頭，正好和小明的目光相遇，看到他不懷好意的樣子，估計(jì)也是把我置于無(wú)限循環(huán)的想象中了。

4 .Java中的CAS

小李說(shuō)： “Compare And Swap 這個(gè)詞太長(zhǎng)了，以后簡(jiǎn)稱CAS，希望你們聽(tīng)得懂。”

小明問(wèn)道： “我們是Java 語(yǔ)言，你那個(gè)讀取內(nèi)存的值該怎么辦，還有那個(gè)compareAndSwap 函數(shù)，我們實(shí)現(xiàn)不了啊?”

小李說(shuō)：“你們Java 不是有JNI(Java native interface)嗎? 可以用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后在Java中封裝一下不就得了?”

“看看這個(gè)AtomicInteger, 他就代表了那個(gè)內(nèi)存的值，那個(gè)count.compareAndSet方法只有兩個(gè)參數(shù)，實(shí)際上內(nèi)存的值隱藏在了AtomicInteger當(dāng)中，你們Java 不是喜歡面向?qū)ο舐?”

我們仔細(xì)地審視這段代碼，它根本沒(méi)有加鎖，每個(gè)人都可以進(jìn)入next()方法，讀取數(shù)據(jù)，操作數(shù)據(jù)，最后使用CAS來(lái)決定這次操作是否有效，如果內(nèi)存值被別人改過(guò)，那就再次循環(huán)嘗試。

小李總結(jié)到： “你們之前的synchronized 叫做悲觀鎖，元老院太悲觀了，總是怕你們把事情搞砸，你看現(xiàn)在樂(lè)觀一點(diǎn)兒，不也玩的挺好嘛! 每個(gè)線程都不用阻塞，不用在那個(gè)無(wú)聊的鎖池里待著。要知道，阻塞，激活是一筆不小的開(kāi)銷啊。”

5. CAS的擴(kuò)展

使用非阻塞算法的線程越來(lái)越多，小李趁熱打鐵，提供了一系列所謂Atomic的類：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicIntegerArray
AtomicLongArray

這些工具類都很好用，大家非常喜歡，只是我們發(fā)現(xiàn)小李的這些工具類只支持簡(jiǎn)單的類型，對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就不好使用CAS了，因?yàn)槭褂肅AS需要頻繁的讀寫(xiě)內(nèi)存數(shù)據(jù)，并且做數(shù)據(jù)的比較，如果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，那讀寫(xiě)內(nèi)存是不可承受之重，還不如最早的悲觀鎖呢!

小李胸有成竹，馬上給出了改進(jìn)：不要比較數(shù)據(jù)啊，只比較引用不就得了，這里有一個(gè)AtomicReference, 拿去用吧。

我們向元老院做了推薦，那些老家伙們可真是有兩把刷子，立刻提出了一個(gè)我做夢(mèng)都沒(méi)有想到的問(wèn)題：

假設(shè)有兩個(gè)線程，線程1 讀到內(nèi)存的數(shù)值為 A , 然后時(shí)間片到期，撤出CPU。線程2運(yùn)行，線程2 也讀到了A , 把它改成了B，然后又把B改成原來(lái)的值A(chǔ) , 簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，修改的次序是 A -> B ->A 。然后線程1開(kāi)始運(yùn)行，它發(fā)現(xiàn)內(nèi)存的值還是A , 完全不知道內(nèi)存中已經(jīng)被操作過(guò)。

我想了一下，好像沒(méi)什么啊，不就是把數(shù)字改成了原來(lái)的值嗎?也沒(méi)什么影響。

可是小李卻陷入了沉思，看來(lái)這是一個(gè)挺難的問(wèn)題，他口中念念有詞：如果只是簡(jiǎn)單的數(shù)字，那沒(méi)什么，可是如果使用AtomicReference，并且操作的是復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可能會(huì)出問(wèn)題了。對(duì)了，我可以用一個(gè)版本號(hào)來(lái)處理啊，給每個(gè)放入AtomicReference的對(duì)象都加入一個(gè)version, 這樣以來(lái)盡管值相同，也能區(qū)分開(kāi)了! 嗯，我就叫他AtomicStampedReference 吧。

元老院很滿意，但是還是發(fā)了一個(gè)公告：

鑒于最近使用AtomicXXXX的線程越來(lái)越多，元老院有責(zé)任提醒各位，用這些類實(shí)現(xiàn)非阻塞算法是非常容易出錯(cuò)的，在你自己實(shí)現(xiàn)之前，看看元老院有沒(méi)有提供現(xiàn)成的類，例如： ConcurrentLinkedQueue。如果非要自己寫(xiě)，也得提交給元老院審查通過(guò)才可以使用。

6 .后記： Doug Lea

如果說(shuō)要從Java 世界中找一個(gè)并發(fā)編程的大牛，我想這個(gè)人非Doug Lea莫屬，從JDK 1.5開(kāi)始， Java 引入了一個(gè)非常著名的線程并發(fā)庫(kù)java.util.concurrent ，由于其良好的抽象，這個(gè)庫(kù)極大的降低了并發(fā)編程的難度，其作者就是并發(fā)編程的權(quán)威Doug Lea，他是紐約州立大學(xué)Oswego分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授， JCP(Java Community Process)執(zhí)行委員會(huì)成員，JSR166(并發(fā)編程)的主席，文中的小李就是向Doug Lea致敬。

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