加锁还是不加锁，这是一个问题

ゝ一世哀愁。 2022-06-15 10:54 203阅读 0赞

前言

上次我说过，我们这个线程的世界是个弱肉强食的地方，大家为了争抢资源大打出手，时不时闹出些内存数据互相被覆盖的事故，给人类带了无穷的烦恼。

后来线程元老院强势出手，发明了一种锁的机制， 这才制止了内乱。 从此以后我们要访问共享的资源（共享变量， 文件...)都得想办法先申请到一把锁才可以。

（码农君注： 关于锁的故事在《编程世界中的那把锁》有讲述）

互斥锁

虽说锁是个好东西， 但是我们线程日常使用的都是互斥锁， 所谓互斥，就是同一时刻只有获得锁的那个线程才有资格去操作共享资源， 别的线程都阻塞住了，被放到了一个叫锁池(Lock pool)的地方，什么事情都干不了。

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比如说这个简单的Sequence类吧， 有100个线程拼命地挤破头去进入next()方法， 但由于synchronized的存在， 大家必须得获得一把锁才可以， 隔壁的小明运气不错， 获得了操作系统的垂青， 喜滋滋的得到了宝贵的锁， 进入了next()方法去做事了。

而我们剩下的99个线程大眼瞪小眼， 除了叹口气，感慨下人生之不如意十之八九， 还能干嘛？

老老实实地进入锁池里待着去吧！

等到隔壁小明做完了事情， 美滋滋的拿着最新的value值出来以后， 我们这99个在锁池里吹牛的线程一跃而起，去竞争那个刚刚被释放的锁。

但是下一个幸运儿是谁呢？ 不知道？

有时候人类为了公平，会搞个队列让我们排好队，先进先出。 但是我已经活了4.998秒，人生快走到了尽头， 在这么长的人生里， 我体会到的真理是： 公平实在是个稀缺货，不公平才是常态！

所以年轻人不要老是抱怨这个社会， 没用的， 还是老老实实的奋斗吧。

不要加锁？

平淡的日子就这么过着， 有一天线程世界来了一个年轻人，自称为小李, 他看着我们这么努力地奋斗着去争抢那把锁， 不由地嘲笑道： 你们真傻啊， 难道不知道不加锁也能做事吗？

我们愣了一下，人群中立刻发出一阵爆笑：哈哈哈， 这小子疯了，没有锁岂不又回到互相覆盖数据的日子了！

小李不甘示弱：你们这帮土老帽，把元老院的那帮老家伙的话当做圣旨， 岂不知天外有天， 人外有人， 这世界大得很呐！

这句话把我们镇住了， 我小心翼翼地问： 那你说说，不加锁怎么才能保证正确性呢？

“就拿你们的那个Sequence类来说吧， 不就是并发的更新内存中的一个值吗， 可以这么分为三步来做：

1. 从内存中读取value 值，假设为10， 我们把这个值称为A

2. B = A+1 得到 B = 11

3. 用A 和 内存的值相比， 如果相等(就是说在过去的一段时间，没人修改内存的值)， 那就把B的值(11)写入内存, 如果不相等(就是说过去的一段时间， 有人修改了内存value 的值)， 意味着A已经不是最新值了， 那就放弃这次修改， 跳回第1步去”

我们面面相觑， 就这么简单？ 真的没有加锁啊。

隔壁的小明反应最快： 小李子， 你这第三步有问题啊， 你看需要读内存吧，需要比较吧，还得写入内存吧， 这不是一个原子操作， 在我们多线程并发执行的时候， 肯定会出问题！

小李说： “唉， 说你们老土吧， 你们还不服气， 听说过comare and swap 这个硬件指令没有？ 那个第三步其实就是一条硬件指令，保证原子执行。 在单个CPU上就不用说了，如果是有多个CPU， 这个指令甚至会锁住总线， 确保同一时刻只有一个CPU能访问内存！

这样吧， 干脆写成个指令： compareAndSwap(内存的值, A , B) , 这下子明白了吧？ 还不明白？ 估计是人类的语言你们听起来不太明白， 来吧，给你们来点熟悉的代码：”

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看到了我们熟悉的代码， 我的脑海飞速盘算：

假定我和小明都同时进入了这段代码， 都读到了内存的值A = 10 , 然后小明的时间片到了，只好退出CPU, 我则愉快的继续执行。

对于我来说 A = 10 , B = 11, 然后我运行compareAndSwap ,我发现我的A值和内存值是相等的，于是就把新的值B写入内存， 并且返回，退出next 函数， 收工回家。

等到小明再次被运行的时候， 由于他的初始值A也是10 ， 他也得到B = 11， 当他运行compareAndSwap 就发现A的值和内存不相等了（因为我改成了11） ， 那小明只好再次循环，获得A = 11, B = 12 , 再次调用compareAndSwap ， 如果还是被别人抢了先， 小明只好再次循环, 从内存获得A = 12 , B =13 .... 直到成功为止。

想到小明一直循环下去，累得要死的样子， 我”邪恶“地笑了。

我抬起头，正好和小明的目光相遇， 看到他不怀好意的样子， 估计也是把我置于无限循环的想象中了。

Java中的CAS

小李说： “Compare And Swap 这个词太长了， 以后简称CAS，希望你们听得懂。”

小明问道： “我们是Java 语言， 你那个读取内存的值该怎么办， 还有那个compareAndSwap 函数，我们实现不了啊？”

小李说：“你们Java 不是有JNI(Java native interface)吗？ 可以用C语言来实现， 然后在Java中封装一下不就得了？”

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“看看这个AtomicInteger, 他就代表了那个内存的值， 那个count.compareAndSet方法只有两个参数， 实际上内存的值隐藏在了AtomicInteger当中，你们Java 不是喜欢面向对象嘛！”

我们仔细地审视这段代码， 它根本没有加锁， 每个人都可以进入next()方法， 读取数据，操作数据， 最后使用CAS来决定这次操作是否有效， 如果内存值被别人改过，那就再次循环尝试。

小李总结到： “你们之前的synchronized 叫做悲观锁， 元老院太悲观了，总是怕你们把事情搞砸，你看现在乐观一点儿， 不也玩的挺好嘛！ 每个线程都不用阻塞，不用在那个无聊的锁池里待着。 要知道，阻塞，激活是一笔不小的开销啊。”

CAS的扩展

使用非阻塞算法的线程越来越多， 小李趁热打铁，提供了一系列所谓Atomic的类：

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicIntegerArray

AtomicLongArray

这些工具类都很好用， 大家非常喜欢， 只是我们发现小李的这些工具类只支持简单的类型，对于一些复杂的数据结构，就不好使用CAS了，因为使用CAS需要频繁的读写内存数据，并且做数据的比较， 如果数据结构很复杂， 那读写内存是不可承受之重，还不如最早的悲观锁呢！

小李胸有成竹， 马上给出了改进： 不要比较数据啊， 只比较引用不就得了， 这里有一个AtomicReference, 拿去用吧。

我们向元老院做了推荐， 那些老家伙们可真是有两把刷子， 立刻提出了一个我做梦都没有想到的问题：

假设有两个线程， 线程1 读到内存的数值为 A , 然后时间片到期，撤出CPU。 线程2运行，线程2 也读到了A , 把它改成了B， 然后又把B改成原来的值A , 简单点说，修改的次序是 A - B -A 。 然后线程1开始运行， 它发现内存的值还是A , 完全不知道内存中已经被操作过。

(码农君注： 这就是著名的ABA问题)

我想了一下， 好像没什么啊，不就是把数字改成了原来的值吗？也没什么影响。

可是小李却陷入了沉思， 看来这是一个挺难的问题， 他口中念念有词： 如果只是简单的数字，那没什么， 可是如果使用AtomicReference， 并且操作的是复杂的数据结构，就可能会出问题了。对了， 我可以用一个版本号来处理啊， 给每个放入AtomicReference的对象都加入一个version, 这样以来尽管值相同， 也能区分开了！ 嗯， 我就叫他AtomicStampedReference 吧。

元老院很满意， 但是还是发了一个公告：

鉴于最近使用AtomicXXXX的线程越来越多， 元老院有责任提醒各位， 用这些类实现非阻塞算法是非常容易出错的，在你自己实现之前， 看看元老院有没有提供现成的类，例如： ConcurrentLinkedQueue。 如果非要自己写，也得提交给元老院审查通过才可以使用。

后记： Doug Lea

如果说要从Java 世界中找一个并发编程的大牛， 我想这个人非Doug Lea莫属， 从JDK 1.5开始， Java 引入了一个非常著名的线程并发库java.util.concurrent ， 由于其良好的抽象， 这个库极大的降低了并发编程的难度， 其作者就是并发编程的权威Doug Lea， 他是纽约州立大学Oswego分校计算机科学系教授， JCP（Java Community Process）执行委员会成员，JSR166（并发编程）的主席 ， 文中的小李就是向Doug Lea致敬。

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