CAS和Synchronized的区别

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一、CAS

概念：

CAS（Compare And Swap ) 或（ Compare-and-Set ）是乐观锁的一种实现方式，是一种轻量级锁。JAVA1.5开始引入了CAS，JUC下很多工具类都是基于CAS。

CAS的实现方式:

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。当多个线程同时尝试使用CAS更新一个变量时，任何时候只有一个线程可以更新成功，若更新失败，线程会重新进入循环再次进行尝试。

CAS带来的问题

ABA问题 ：

ABA问题是指在CAS操作时，其他线程将变量值A改为了B，但是又被改回了A，等到本线程使用期望值A与当前变量进行比较时，发现变量A没有变，于是CAS就将A值进行了交换操作，但是实际上该值已经被其他线程改变过，这与乐观锁的设计思想不符合。ABA问题的解决思路是，每次变量更新的时候把变量的版本号加1，那么A-B-A就会变成A1-B2-A3，只要变量被某一线程修改过，改变量对应的版本号就会发生递增变化，从而解决了ABA问题。在JDK的java.util.concurrent.atomic包中提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题，该类的compareAndSet是该类的核心方法，实现如下：

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                            V   newReference,
                            int expectedStamp,
                            int newStamp) {
   Pair<V> current = pair;
   return
       expectedReference == current.reference &&
       expectedStamp == current.stamp &&
       ((newReference == current.reference &&
         newStamp == current.stamp) ||
        casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

我们可以发现，该类检查了当前引用与当前标志是否与预期相同，如果全部相等，才会以原子方式将该引用和该标志的值设为新的更新值，这样CAS操作中的比较就不依赖于变量的值了。

二、synchronized

相比于CAS基于乐观锁实现，synchronized是基于悲观锁的，当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。

• 对于普通同步方法加锁时，锁是当前实例对象
• 对于静态同步方法加锁时，锁是当前类的Class对象
• 对于同步方法块加锁时，锁是Synchonized括号里配置的对象

Synchronized的实现方式：

Synchonized是基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。Synchronized 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。而代码块同步则是使用monitorenter和monitorexit指令实现的。

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁，当获得对象的monitor以后，monitor内部的计数器就会自增（初始为0），当同一个线程再次获得monitor的时候，计数器会再次自增。当同一个线程执行monitorexit指令的时候，计数器会进行自减，当计数器为0的时候，monitor就会被释放，其他线程便可以获得monitor。

Synchronized的优化：

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。

偏向锁

HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令（由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗）。

偏向锁获取过程：

• （1）访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01——确认为可偏向状态。
• （2）如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤（5），否则进入步骤（3）。
• （3）如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行（5）；如果竞争失败，执行（4）。
• （4）如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争（CAS获取偏向锁失败说明至少有过其他线程曾经获得过偏向锁，因为线程不会主动去释放偏向锁）。当到达全局安全点（safepoint）时，会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着（因为可能持有偏向锁的线程已经执行完毕，但是该线程并不会主动去释放偏向锁），如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态（标志位为“01”），然后重新偏向新的线程；如果线程仍然活着，撤销偏向锁后升级到轻量级锁状态（标志位为“00”），此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有，继续执行其同步代码，而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁。
• （5）执行同步代码。

偏向锁的释放过程：

如上步骤（4）。偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放偏向锁的机制：偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

关闭偏向锁：

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的。由于偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能，如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁：

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

重量级锁：

重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现。当系统检查到锁是重量级锁之后，会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cup。但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间。