什么是 CAS（自旋锁）? 它的优缺点？如何使用CAS实现一把锁？

2024-06-18 17:28| 来源: 网络整理| 查看: 265

什么是自旋锁？

CAS 没有获取到锁的线程是不会阻塞的，通过循环控制一直不断的获取锁。

CAS: Compare and Swap，翻译成比较并交换。执行函数 CAS（V，E,N）

CAS 有 3 个操作数，内存值 V，旧的预期值 E，要修改的新值 N。当且仅当预期值 E 和内存值 V 相同时，将内存值 V 修改为 N，否则什么都不做

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Cas 是通过硬件指令，保证原子性Java 是通过 unsafe jni 技术

原子类： AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong 等使用 CAS 实现。

优缺点

优点：没有获取到锁的线程，会一直在用户态，不会阻塞，没有锁的线程会一直通过循环控制重试。

缺点：通过死循环控制，消耗 cpu 资源比较高，需要控制循次数，避免 cpu 飙高问题。

CAS实现一把锁逻辑

Cas 无锁机制原理：

定义一个锁的状态；状态状态值=0 则表示没有线程获取到该锁；状态状态值=1 则表示有线程已经持有该锁；

实现细节： CAS 获取锁：将该锁的状态从 0 改为 1-----能够修改成功 cas 成功则表示获取锁成功如果获取锁失败–修改失败，则不会阻塞而是通过循环（自旋来控制重试）

CAS 释放锁：将该锁的状态从 1 改为 0 如果能够改成功 cas 成功则表示释放锁成

完整代码 /** * @author zyz * @version 1.0 * @data 2023/7/17 15:09 * @Description: 使用CAS实现一把锁 * 测试 * 1、上锁不使用循环实现 * 1)：获取锁、释放锁, 结果有些获取成功，有些获取失败 * 2)：获取锁，不释放锁结果：只有一个线程获取锁成功，其它都失败 * 2、上锁使用循环实现 * 1) 获取锁、释放锁, 全部成功。 * 2) 获取锁，不释放锁，结果：只有一个线程获取成功，其它线程一直循环等待。CPU飙高 */ public class UsingCasHandwritingLock { private AtomicLong cas = new AtomicLong(0); private Thread lockCurrentThread; /** * 获取锁 * 锁是有状态的 * 0 --- 表示没有人持有该锁 * 1 --- 表示该锁已经被线程持有 * 获取成功：cas 0变为1 cas = true * 获取锁失败 cas false */ public Boolean tryLock() { boolean result = cas.compareAndSet(0, 1); return result; } /** *：优点：没有获取到锁的线程，会一直在用户态，不会阻塞，没有锁的线程会一直通过循环控制重试。 * 缺点：通过死循环控制，消耗 cpu 资源比较高，需要控制循次数，避免 cpu 飙高问题； * @return */ // public Boolean tryLock(){ // while (true){ // System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",CAS"); // boolean result = cas.compareAndSet(0,1); // if(result){ // lockCurrentThread = Thread.currentThread(); // return true; // } // } // } /** * 释放锁 */ public Boolean unLock() { if (lockCurrentThread != Thread.currentThread()) { return false; } return cas.compareAndSet(1, 0); } public static void main(String[] args) { UsingCasHandwritingLock lock = new UsingCasHandwritingLock(); IntStream.range(1, 10).forEach((i) -> new Thread(() -> { try { boolean result = lock.tryLock(); if (result) { lock.lockCurrentThread = Thread.currentThread(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",获取锁成功~~~"); } else { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",获取锁失败~~~"); } } catch (Exception ex) { } finally { if (lock != null) { lock.unLock(); } } }).start()); } } 测试结果 1、释放锁（非循环获取锁） //获取锁 public Boolean tryLock() { boolean result = cas.compareAndSet(0, 1); return result; }

正常释放锁

try { //做的任务 } catch (Exception ex) { //抛异常 } finally { //释放锁 if (lock != null) { lock.unLock(); } }

结果：有些线程获取锁成功，有些线程获取锁失败。

说明：线程获取到该锁，并且还在执行任务，未到释放锁的时候。其它线程在获取锁的时候，就会出现获取锁失败的情况。

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2、不释放锁（非循环释放锁） //获取锁 public Boolean tryLock() { boolean result = cas.compareAndSet(0, 1); return result; }

将释放锁的过程取消，获取到该锁的线程一直拿着。

try { //做的任务 } catch (Exception ex) { //抛异常 } finally { //释放锁 // if (lock != null) { // lock.unLock(); // } }

结果：只有一个线程获取锁成功，其它线程获取锁均失败

说明：某个线程获取到该锁，并且一直拿着，不释放。其它线程就不能获取到锁。

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3、释放锁（循环获取锁） public Boolean tryLock(){ while (true){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",CAS"); boolean result = cas.compareAndSet(0,1); if(result){ lockCurrentThread = Thread.currentThread(); return true; } } }

当前线程执行完任务后，释放锁

try { //做的任务 } catch (Exception ex) { //抛异常 } finally { //释放锁 if (lock != null) { lock.unLock(); } }

结果：线程全部获取到锁。

说明：未获取到锁的线程，通过循环的形式一直尝试获取锁。只要有线程释放了锁。其它线程就去尝试获取锁，获取不到锁的线程，就一直循环尝试获取。直到获取到锁为止。

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4、不释放锁（循环获取锁） public Boolean tryLock(){ while (true){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",CAS"); boolean result = cas.compareAndSet(0,1); if(result){ lockCurrentThread = Thread.currentThread(); return true; } } }

线程执行完任务后，不释放锁

try { //做的任务 } catch (Exception ex) { //抛异常 } finally { //释放锁 // if (lock != null) { // lock.unLock(); // } }

效果：只有一个线程获取到锁，其它线程一直循环尝试获取锁。说明：当一个线程获取到锁之后，其它线程就一直循环尝试获取锁。但是该线程没有释放锁，就会导致其它线程一直循环尝试获取锁，就会导致CPU飙高。在这里插入图片描述

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