Java 乐观锁 vs 悲观锁

Question

悲观锁

对于同一个数据的并发操作，悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。Java 中， synchronized 关键字和 Lock 的实现类都是悲观锁。

乐观锁

乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）。
乐观锁在 Java 中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是 CAS 算法 ，Java 原子类中的递增操作就通过 CAS 自旋实现的。

• 悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。
• 乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

// ------------------------- 悲观锁的调用方式 -------------------------
// synchronized
public synchronized void testMethod() {
	// 操作同步资源
}
// ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 需要保证多个线程使用的是同一个锁
public void modifyPublicResources() {
	lock.lock();
	// 操作同步资源
	lock.unlock();
}

// ------------------------- 乐观锁的调用方式 -------------------------
private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  // 需要保证多个线程使用的是同一个 AtomicInteger
atomicInteger.incrementAndGet(); //执行自增 1

Java 从 1.5 开始 JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。

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CAS 无锁算法

CAS（比较与交换，Compare and swap）是一种有名的无锁算法。CAS, CPU 指令，在大多数处理器架构，包括 IA32、Space 中采用的都是 CAS 指令，CAS 的语义是“我认为 V 的值应该为 A，如果是，那么将 V 的值更新为 B，否则不修改并告诉 V 的值实际为多少”，CAS 是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。CAS 有 3 个操作数，内存值 V，旧的预期值 A，要修改的新值 B。当且仅当预期值 A 和内存值 V 相同时，将内存值 V 修改为 B，否则什么都不做。

CPU 去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

CAS（比较并交换）是 CPU 指令级的操作，只有一步原子操作，所以非常快。而且 CAS 避免了请求操作系统来裁定锁的问题，不用麻烦操作系统，直接在 CPU 内部就搞定了。

在 JDK1.5 中引入了底层的支持，在 int、long 和对象的引用等类型上都公开了 CAS 的操作，并且 JVM 把它们编译为底层硬件提供的最有效的方法，在运行 CAS 的平台上，运行时把它们编译为相应的机器指令，如果处理器/CPU 不支持 CAS 指令。