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《吊打面试官》系列-乐观锁、悲观锁

前言

关于线程安全一提到可能就是加锁，在面试中也是面试官百问不厌的考察点，往往能看出面试者的基本功和是否对线程安全有自己的思考。

那锁本身是怎么去实现的呢？又有哪些加锁的方式呢？

我今天就简单聊一下乐观锁和悲观锁，他们对应的实现 CAS ，Synchronized，ReentrantLock

正文

一个120斤一身黑的小伙子走了进来，看到他微微发福的面容，看来是最近疫情伙食好运动少的结果，他难道就是今天的面试官渣渣丙？

等等难道是他？前几天刷B站看到的不会是他吧！！！

是的我已经开始把面试系列做成视频了，以后会有各种级别的面试，从大学生到阿里P7+的面试，还有阿里，拼多多，美团，字节风格的面试我也都约好人了，就差时间了，大家可以去B站搜： 三太子敖丙 观看

我也不多跟你BB了，我们直接开始好不好，你能跟我聊一下CAS么？

CAS（Compare And Swap 比较并且替换）是乐观锁的一种实现方式，是一种轻量级锁，JUC 中很多工具类的实现就是基于 CAS 的。

CAS 是怎么实现线程安全的？

线程在读取数据时不进行加锁，在准备写回数据时，先去查询原值，操作的时候比较原值是否修改，若未被其他线程修改则写回，若已被修改，则重新执行读取流程。

举个栗子：现在一个线程要修改数据库的name，修改前我会先去数据库查name的值，发现name=“ 帅丙 ”，拿到值了，我们准备修改成name=“ 三歪 ”，在修改之前我们判断一下，原来的name是不是等于“ 帅丙 ”，如果被其他线程修改就会发现name不等于“ 帅丙 ”，我们就不进行操作，如果原来的值还是帅丙，我们就把name修改为“ 三歪 ”，至此，一个流程就结束了。

有点懵？理一下停下来理一下思路。

Tip：比较+更新整体是一个原子操作，当然这个流程还是有问题的，我下面会提到。

他是乐观锁的一种实现，就是说认为数据总是不会被更改，我是乐观的仔，每次我都觉得你不会渣我，差不多是这个意思。

你这个栗子不错，他存在什么问题呢？

有，当然是有问题的，我也刚好想提到。

你们看图发现没，要是结果一直就一直循环了，CUP开销是个问题，还有ABA问题和只能保证一个共享变量原子操作的问题。

你能分别介绍一下么？

好的，我先介绍一下ABA这个问题，直接口述可能有点抽象，我画图解释一下：

看到问题所在没，我说一下顺序：

线程1读取了数据A
线程2读取了数据A
线程2通过CAS比较，发现值是A没错，可以把数据A改成数据B
线程3读取了数据B
线程3通过CAS比较，发现数据是B没错，可以把数据B改成了数据A
线程1通过CAS比较，发现数据还是A没变，就写成了自己要改的值

懂了么，我尽可能的幼儿园化了，在这个过程中任何线程都没做错什么，但是值被改变了，线程1却没有办法发现，其实这样的情况出现对结果本身是没有什么影响的，但是我们还是要防范，怎么防范我下面会提到。

循环时间长开销大的问题：

是因为CAS操作长时间不成功的话，会导致一直自旋，相当于死循环了，CPU的压力会很大。

只能保证一个共享变量的原子操作：

CAS操作单个共享变量的时候可以保证原子的操作，多个变量就不行了，JDK 5之后 AtomicReference可以用来保证对象之间的原子性，就可以把多个对象放入CAS中操作。

我还记得你之前说在JUC包下的原子类也是通过这个实现的，能举个栗子么？

那我就拿AtomicInteger举例，他的自增函数incrementAndGet（）就是这样实现的，其中就有大量循环判断的过程，直到符合条件才成功。

大概意思就是循环判断给定偏移量是否等于内存中的偏移量，直到成功才退出，看到do while的循环没。

乐观锁在项目开发中的实践，有么？

有的就比如我们在很多订单表，流水表，为了防止并发问题，就会加入CAS的校验过程，保证了线程的安全，但是看场景使用，并不是适用所有场景，他的优点缺点都很明显。

那开发过程中ABA你们是怎么保证的？

加标志位，例如搞个自增的字段，操作一次就自增加一，或者搞个时间戳，比较时间戳的值。

举个栗子：现在我们去要求操作数据库，根据CAS的原则我们本来只需要查询原本的值就好了，现在我们一同查出他的标志位版本字段vision。

之前不能防止ABA的正常修改：

update table set value = newValue where value = #{oldValue}
//oldValue就是我们执行前查询出来的值

带版本号能防止ABA的修改：

update table set value = newValue ，vision = vision + 1 where value = #{oldValue} and vision = #{vision} 
// 判断原来的值和版本号是否匹配，中间有别的线程修改，值可能相等，但是版本号100%不一样

除了版本号，像什么时间戳，还有JUC工具包里面也提供了这样的类，想要扩展的小伙伴可以去了解一下。

聊一下悲观锁？

悲观锁从宏观的角度讲就是，他是个渣男，你认为他每次都会渣你，所以你每次都提防着他。

我们先聊下JVM层面的synchronized：

synchronized加锁，synchronized 是最常用的线程同步手段之一，上面提到的CAS是乐观锁的实现，synchronized就是悲观锁了。

它是如何保证同一时刻只有一个线程可以进入临界区呢？

synchronized，代表这个方法加锁，相当于不管哪一个线程（例如线程A），运行到这个方法时,都要检查有没有其它线程B（或者C、 D等）正在用这个方法(或者该类的其他同步方法)，有的话要等正在使用synchronized方法的线程B（或者C 、D）运行完这个方法后再运行此线程A，没有的话，锁定调用者，然后直接运行。

我分别从他对对象、方法和代码块三方面加锁，去介绍他怎么保证线程安全的：

synchronized 对对象进行加锁，在 JVM 中，对象在内存中分为三块区域： 对象头 （Header）、实例数据（Instance

Data）和 对齐填充 （Padding）。
对象头：我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

你可以看到在对象头中保存了锁标志位和指向 monitor 对象的起始地址，如下图所示，右侧就是对象对应的 Monitor 对象。

当 Monitor 被某个线程持有后，就会处于锁定状态，如图中的 Owner 部分，会指向持有 Monitor 对象的线程。

另外 Monitor 中还有两个队列分别是EntryList和WaitList，主要是用来存放进入及等待获取锁的线程。

如果线程进入，则得到当前对象锁，那么别的线程在该类所有对象上的任何操作都不能进行。

Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

在对象级使用锁通常是一种比较粗糙的方法，为什么要将整个对象都上锁，而不允许其他线程短暂地使用对象中其他同步方法来访问共享资源？

如果一个对象拥有多个资源，就不需要只为了让一个线程使用其中一部分资源，就将所有线程都锁在外面。

由于每个对象都有锁，可以如下所示使用虚拟对象来上锁：

   class FineGrainLock{
  　MyMemberClassx,y;
  　Object xlock = new Object(), ylock = newObject();
  　public void foo(){
  　    synchronized(xlock){
  　    //accessxhere
  　    　}
  　    //dosomethinghere-butdon'tusesharedresources
  　    　synchronized(ylock){
  　    　//accessyhere
  　    　}
  　}
      public void bar(){
  　    　synchronized(this){
  　       　//accessbothxandyhere
      　}
     　//dosomethinghere-butdon'tusesharedresources
      }
  }

synchronized 应用在方法上时，在字节码中是通过方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来实现的。

我反编译了一小段代码，我们可以看一下我加锁了一个方法，在字节码长啥样， flags 字段瞩目：
```
synchronized void test();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_SYNCHRONIZED
  Code:
    stack=0, locals=1, args_size=1
       0: return
    LineNumberTable:
      line 7: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       1     0  this   Ljvm/ClassCompile;
```
反正其他线程进这个方法就看看是否有这个标志位，有就代表有别的仔拥有了他，你就别碰了。
synchronized 应用在同步块上时，在字节码中是通过 monitorenter 和 monitorexit 实现的。

每个对象都会与一个monitor相关联，当某个monitor被拥有之后就会被锁住，当线程执行到monitorenter指令时，就会去尝试获得对应的monitor。

步骤如下：

每个monitor维护着一个记录着拥有次数的计数器。未被拥有的monitor的该计数器为0，当一个线程获得monitor（执行monitorenter）后，该计数器自增变为 1 。

当同一个线程再次获得该monitor的时候，计数器再次自增；
当不同线程想要获得该monitor的时候，就会被阻塞。

当同一个线程释放 monitor（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。

当计数器为0的时候，monitor将被释放，其他线程便可以获得monitor。

同样看一下反编译后的一段锁定代码块的结果：

public void syncTask();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=3, locals=3, args_size=1
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter  //注意此处，进入同步方法
       4: aload_0
       5: dup
       6: getfield      #2             // Field i:I
       9: iconst_1
      10: iadd
      11: putfield      #2            // Field i:I
      14: aload_1
      15: monitorexit   //注意此处，退出同步方法
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit //注意此处，退出同步方法
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return
    Exception table:
    //省略其他字节码.......