Java CAS锁和Synchronized锁剖析

2023-09-19 12:11:54

Java作为一门面向对象的高级编程语言，其多线程特性使得程序员可以编写并发程序，有效提高程序执行效率。为了实现线程安全，Java提供了synchronized和CAS等锁机制。本文将详细解析Java中的CAS锁和Synchronized锁，帮助读者深入理解Java的并发编程。

用户态、内核态、线程上下文切换

计算机程序运行时，分为用户态和内核态。用户态是应用程序运行的环境，应用程序可以在用户态下执行。内核态是操作系统的核心，负责管理系统资源和硬件设备。线程上下文切换是指从一个线程切换到另一个线程，即从一个线程的用户态切换到另一个线程的用户态。

线程生命周期、Java线程和常用方法

线程生命周期包括创建线程、运行线程、挂起线程、恢复线程和终止线程。线程可以创建子线程，也可以等待子线程完成。Java提供了多种方法来创建和管理线程，常用的方法包括Thread类的构造方法、start方法、join方法、sleep方法和wait方法。

CAS无锁机制原理和内存语义、ABA问题

CAS（Compare And Swap）是一种无锁机制，可以实现原子操作。CAS操作包括三个步骤：比较、交换和更新。比较是指将内存中的值与期望值进行比较。如果相等，则执行交换操作，将新值写入内存。如果不等，则不执行交换操作，返回失败。

内存语义定义了变量的读写顺序和执行顺序。Java内存模型（JMM）定义了Java程序中变量的可见性和原子性。ABA问题是指一个变量的值从A变为B，又从B变回A，但中间没有其他线程对该变量进行修改。CAS操作在ABA问题下可能会失败，因为CAS操作只比较了旧值和期望值，没有比较中间值。

JDK提供的并发工具

JDK提供了丰富的并发工具，帮助程序员编写并发程序。常用的并发工具包括synchronized、ReentrantLock、ReadWriteLock、Condition、Semaphore和AtomicInteger。synchronized是Java中最基本的锁机制，可以实现原子操作。ReentrantLock是一种可重入锁，可以实现更复杂的锁机制。ReadWriteLock是一种读写锁，可以实现读写分离。Condition是一种条件变量，可以实现线程等待和通知。Semaphore是一种信号量，可以实现线程同步。AtomicInteger是一个原子整型变量，可以实现原子操作。

优化建议

为了优化并发程序的性能，可以采用以下建议：

尽量避免使用锁。锁会带来额外的开销，可能会影响程序性能。
如果必须使用锁，应选择合适的锁机制。synchronized是Java中最基本的锁机制，但它可能会带来性能问题。ReentrantLock是一种可重入锁，可以实现更复杂的锁机制，但它比synchronized更复杂。ReadWriteLock是一种读写锁，可以实现读写分离，但它比synchronized和ReentrantLock更复杂。
尽量减少锁的持有时间。锁的持有时间越长，其他线程等待锁的时间就越长，可能会影响程序性能。
尽量避免死锁。死锁是指两个或多个线程相互等待，导致程序无法继续执行。