Java多线程进阶——CAS与synchronized优化

⭐️前言⭐️

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1.CAS

1.1 CAS是什么？

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:“比较并交换”

寄存器A的值和内存M的值进行比较，如果不相同，则无事发生；如果相同，则把寄存器B的值和M的值进行交换（不关心之后B的值，更关心交换之后M的值，此处的交换相当于是把B赋值给M了）

看起来这么多的操作，既有比较又有交换，但实际上是由CPU的一条指令原子的完成的，是线程安全的，效率很高。

1.2 CAS的应用场景

1.2.1 实现原子类

我们在之前讲到的count++操作（【Java多线程基础4.1】），在多线程的环境下，是线程不安全的，如果4.1想要安全，就需要加锁，性能将会降低。

Java标准库所提供的基于“CAS”实现的标准类，可以原子的实现++的操作，从而能够使线程既安全，又高效。

如标准库中封装好的AtomicInteger 类其中的 getAndIncrement （）相当于 count++ 操作.

伪代码实现：

执行成功了(比较相同)，就完成了自增；如果执行不成功（比较不同），就会重新LOAD&&CAS。

代码示例：利用原子类实现count变量的十万次自增

public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);

        Thread t1=new Thread(()-> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });

        Thread t2=new Thread(()-> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        //get获取到内部的值
        System.out.println(count.get());
    }
}
//100000

运行结果为100000，说明是线程安全的。

1.2.2 实现自旋锁

自旋锁是纯用户态的轻量级锁，当发现锁被其他线程持有的时候，线程不会挂起等待，而是会反复询问，查询当前的锁是否释放了。（
这种实现消耗CPU资源，但是换来的是第一时间获取到锁，如果当前预期锁竞争不太激烈的时候，使用自旋锁非常合适）

伪代码实现：

1.3 CAS的ABA问题

虽然CAS实现了原子操作，但还是存在一定的问题：
在CAS中进行比较的时候，发现寄存器A和内存M的值相同，并没办法判定M是始终没变，还是M变了又变回来了。

假设有一天我们去取钱，银行卡上有500元的存款，我们想取出200元，结果取钱的时候卡了一下，我们连按了两次取钱，ATM就创建出来了2个线程来进行扣款操作，并且扣款操作是基于CAS来完成的。

为了解决上述的问题，需要有一块内存，来保存M的“修改次数【只增不减】”或者是“上次修改时间【只增不减】”，这样在CAS的比较操作中，比较的不是账户余额，而是比较版本号/上次修改时间。

2.synchronized的优化

2.1 锁膨胀/升级

synchronized实际上是自适应锁，它根据实际情况来进行加锁操作，这种自适应也是基于锁膨胀/锁升级这样的手段来实现的。

锁升级过程：

• 当没有线程加锁的时候，是无锁状态
• 当首个线程（无竞争）进行加锁的时候，进入偏向锁状态，偏向锁并不是真的锁，只是设置了一个状态，当有竞争时才会真加锁
• 当其他线程竞争锁时，导致产生了锁竞争，进入轻量级锁状态
• 如果竞争进一步加剧，进入重量级锁状态

2.2 锁消除

是编译器的一种优化行为，如果一个地方不必加锁，你写了synchronized，就会自动的把锁给去掉（比如你只有一个线程，或者时多线程线程不涉及修改同一个变量，如果代码中也写了synchronized，此时的加锁操作，就会直接被JVM给优化掉）

2.3 锁粗化

锁粗化就是将synchronized加锁范围的代码块加大，范围越大（代码越多），锁的粒度越大；反之锁的粒度越细。

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⭐️最后的话⭐️
总结不易，希望uu们不要吝啬你们的哟(＾Ｕ＾)ノ~ＹＯ！！如有问题，欢迎评论区批评指正