深入探秘CAS、Synchronized和ReentrantLock：并发的妙钥

2023-12-24 09:07:41

在现代计算机系统中，并发编程已经成为不可或缺的一部分。为了协调多线程并发执行，Java提供了多种同步机制，其中CAS、Synchronized和ReentrantLock是广受欢迎的选择。在这篇文章中，我们将深入探究这些锁的原理和实现，帮助您更好地理解Java并发编程的精髓。

一、锁相关概念

在并发编程中，锁是一种重要的同步机制，用于控制对共享资源的访问。锁可以防止多个线程同时访问共享资源，从而避免数据损坏和程序崩溃。

Java中提供了两种类型的锁：

内置锁（Intrinsic Lock）： 也称为监视器锁，是Java语言内置的锁。使用synchronized可以获取内置锁。内置锁是重量级锁，开销较大。
可重入锁（Reentrant Lock）： 是一种重量级锁，可以被同一个线程多次获取。可重入锁通常用于构建更复杂的同步结构，如读写锁和条件变量。

二、Synchronized的一些优化

为了减少内置锁的开销，Java在JDK 1.6中引入了一些优化技术：

偏向锁（Biased Locking）： 当一个线程第一次获取锁时，JVM会将锁标记为偏向锁。偏向锁只允许获取锁的线程访问共享资源，其他线程无法获取锁。当其他线程试图获取锁时，偏向锁会被撤销，锁会恢复为轻量级锁或重量级锁。
轻量级锁（Lightweight Locking）： 当一个线程第一次获取锁时，JVM会将锁标记为轻量级锁。轻量级锁使用CAS操作来获取锁。如果CAS操作成功，则该线程获取锁；如果CAS操作失败，则锁会升级为重量级锁。
自旋锁（Spinning）： 当一个线程无法获取锁时，它会不断地尝试获取锁。这种技术称为自旋。自旋可以减少线程之间的上下文切换开销，提高程序性能。

三、CAS实现（以AtomicInteger为例）

CAS（Compare-And-Swap）是一种硬件指令，可以原子地比较和交换内存中的值。CAS操作通常用于构建无锁数据结构，如原子变量。

AtomicInteger是Java中内置的原子变量类，它使用CAS操作来实现原子更新。AtomicInteger的compareAndSet方法可以原子地比较和交换变量的值。如果变量的值与预期值相等，则CAS操作成功，变量的值被更新为新值；否则，CAS操作失败，变量的值保持不变。

public class AtomicInteger {
    private volatile int value;

    public boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
        return UNSAFE.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expectedValue, newValue);
    }
}