使用乐观锁优化并行操作

我们知道悲观锁在高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统上下文切换，增加系统的性能开销。那么有没有可能实现一种非阻塞的锁机制来保证线程的安全呢？答案是肯定的。今天我就带你学习下乐观锁的优化方法，看看怎么使用才能发挥它最大的价值。

一 什么是乐观锁

乐观锁，顾名思义，就是说在操作共享资源时，它总是抱着乐观的态度进行，它认为自己可以成功的完成操作。但实际上，当多个线程同时操作一个共享资源时，只有一个线程会成功，那么失败的线程呢？它们不会像悲观锁一样，在操作系统中挂起，而仅仅是返回，并且系统允许失败的线程重试，也允许自动放弃退出操作。

所以，乐观锁相比悲观锁来说，不会带来死锁，饥饿等活性故障问题，线程间的相互影响也远远比悲观锁要小。更为重要的是，乐观锁没有因锁竞争造成的系统开销，所以在性能上也是更胜一筹。

二 乐观锁的实现原理

CAS是实现乐观锁的核心算法，它包含了3个参数：V（需要更新的变量），E（预期值）和N（最新值）。

1.CAS如何实现原子操作

在JDK中的concurrent包中，atomic路径下的类都是基于CAS实现的。AtomicInteger就是基于CAS实现的一个线程安全的整型类。下面我们通过源码来了解下如何使用CAS实现原子操作。

我们可以看到AtomicInteger的自增方法是使用了Unsafe的getAndAddInt方法，显然AtomicInteger依赖于本地方法Unsafe类，Unsafe类中的操作方法会调用CPU底层指令实现原子操作。

2.处理器如何实现原子操作

CAS是调用处理器底层指令来实现原子操作，那么处理器底层又是如何实现原子操作的呢？

处理器和物理内存之间的通信速度要远慢于处理器间的处理速度，所以处理器有自己的内部缓存。如下图所示，在执行操作时，频繁使用的内存数据会缓存在处理器的L1，L2和L3高速缓存中，以加快频繁读取的速度。

三 优化CAS乐观锁

虽然乐观锁在并发性能上要比悲观苏优越，但是在于写大于读的操作场景下，CAS失败的可能性会增大，如果不放弃此次CAS操作，就需要循环做CAS重试，这无疑会长时间地占用CPU。

在JAVA1.7中，通过以下代码我们可以看到：AtomicInteger的getAndSet方法中使用了for循环不断重试CAS操作，如果长时间不成功，就会给CPU带来非常大的执行开销。到了Java8，for循环虽然被去掉了，但是我们反编译Unsafe类时就可以发现该循环其实是被封装在了Unsafe类中，CPU的执行开销依然存在。

JDK1.8中，Java提供了一个新的原子类LongAdder，LongAdder在高并发的场景下比AtomicInteger和AtomicLong的性能更好，代价就是会消耗更多的内存空间。

LongAdder内部由一个base变量和一个cell[]数组组成。当只有一个写线程，没有竞争的情况下，LongAdder会直接使用base变量作为原子操作变量，通过CAS操作修改变量；当有多个写线程竞争的情况下，除了占用base变量的一个写线程之外，其它各个线程会将修改的变量写入到自己的槽cell[]数组中，最终结果可通过公式计算得出：

四 总结

在日常开发中，使用乐观锁最常见的场景就是数据库的更新操作了。为了保证操作数据库的原子性，我们常常会为每一条数据定义一个版本号，并在更新前获取到它，到了更新数据库的时候，还要判断下已经获取的版本号是否被更新过，如果没有，则执行该操。

CAS乐观锁在平常使用时比较受限，它只能保证单个变量操作的原子性，当涉及到多个变量时，CAS就无能为力了，但前两讲讲到的悲观锁可以通过对整个代码块加锁来做到这点。

CAS乐观锁在高并发写大于读的场景下，大部分线程的原子操作会失败，失败后的线程将会不断重试CAS原子操作，这样就会导致大量线程长时间地占用CPU资源，给系统带来很大的性能开销。在JDK1.8中，Java新增了一个原子类LongAdder，它使用了空间换时间的方法，解决了上诉问题。

最近的这几讲中，我详细的讲解了基于JVM实现的同步锁Sychronized，AQS实现的同步锁Lock以及CAS实现的乐观锁。相信你也很好奇，这三种锁，到底哪一种的性能最好，现在我们来对比一下不同实现方式下的锁的性能。

鉴于脱离实际业务场景的性能对比测试结果没有意义，我们可以分别在“读多写少”，“读少写多”，“读写差不多”这三种场景下进行测试。又因为锁的性能还与竞争的激烈程度有关，所以除此之外，我们还将做三种锁在不同竞争级别下的性能测试。

综合上述条件，我将对四种模式下的五个锁Sychronized，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，StampedLock以及乐观锁LongAdder进行压测。

通过以上结果，我们可以发现：在读大于写的场景下，读写锁ReentrantReadWriteLock，StampedLock以及乐观锁的读写性能是最好的；在写大于读的场景下，乐观锁的性能是最好的，其它4种锁的性能则差不多；在读和写差不多的场景下，两种读写锁以及乐观锁的性能要优于Sychronized和ReentrantLock。