【Java并发编程】描述常见的锁策略、CAS在Java中的实现以及 Synchronized 的加锁原理

在Java并发编程中，锁策略和原子性操作是非常重要的概念。锁机制确保了多个线程在访问共享资源时不会发生冲突，而CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁的并发控制机制，可以在一定程度上解决线程安全问题。本文将围绕常见的锁策略、CAS在Java中的实现，以及Synchronized的加锁原理进行详细的描述。

一、常见的锁策略

在Java中，锁主要有以下几种策略：

1. 悲观锁：假设最坏情况，总是认为会发生冲突，因此在操作共享数据之前先加锁。这是Java中synchronized关键字和ReentrantLock的基本实现。

2. 乐观锁：假设不会发生冲突，直接操作共享数据，但在提交时检查是否发生了冲突。如使用CAS实现的原子变量，例如AtomicInteger。

3. 读写锁：以ReadWriteLock形式出现，允许多个线程同时读取共享数据，而写入操作则是独占的。这种策略提高了并发性能。

4. 自旋锁：在获取锁时，线程会循环检查锁的状态，适用于锁的持有时间短的场景，以减少上下文切换的开销。

二、CAS在Java中的实现

CAS（Compare and Swap）是一种原子操作，原理是比较内存中某个值与预期值是否相等，如果相等则将其更新为新值。Java提供了许多基于CAS的类，如AtomicInteger。

下面是一个使用CAS的AtomicInteger的示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASExample {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);

        // 创建多个线程并发修改AtomicInteger的值
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    atomicInt.incrementAndGet(); // CAS 实现的自增
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("最终计数值: " + atomicInt.get());
    }
}

在上面的代码中，AtomicInteger的incrementAndGet方法能够确保多个线程安全地更新整数值，它内部使用了CAS机制。

三、Synchronized的加锁原理

Java中的synchronized关键字用于实现互斥锁，是最简单的同步方式。它可以用于方法或代码块。使用synchronized时，JVM会为每个对象或类分配一个监视器锁。

1. 对象锁：当synchronized用在实例方法上时，锁住的是当前对象的监视器锁；当用在静态方法上时，锁住的是该类的监视器锁。

2. 实现原理：当线程访问synchronized修饰的方法时，先尝试获得锁，如果获得锁则执行代码块，执行完毕后释放锁；如果未能获得锁，则进入阻塞状态，等待其他线程释放锁。

示例代码如下：

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    // 使用synchronized修饰实例方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        // 创建多个线程并发访问increment方法
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment(); // 线程安全的自增
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("最终计数值: " + example.count);
    }
}

小结

在高并发环境中，选择合适的锁策略至关重要，CAS提供了无锁的解决方案，而synchronized是Java提供的基本同步机制。了解这些策略和原理有助于开发高效的并发程序，确保线程安全。