Java 的并发编程模型：从 synchronized 到 CAS

在多核处理器和分布式系统日益普及的今天，并发编程变得越来越重要。Java作为一种广泛使用的编程语言，提供了丰富的并发编程模型和工具，使得开发者能够充分利用系统资源，提高程序性能。本文将深入探讨Java并发编程模型中两个重要的概念：synchronized和CAS（Compare-And-Swap），并结合代码实例进行详细讲解。

一、Java并发编程基础

1.1 并发与并行

• 并发：指多个任务在同一个时间段内同时开始但不一定同时结束。
• 并行：指多个任务在同一时刻同时运行。

1.2 Java并发模型

• 共享内存模型：Java线程共享同一个内存空间。
• 消息传递模型：线程之间通过消息传递机制进行通信。

1.3 Java并发工具类

• Thread：基本的线程类。
• Runnable：线程接口。
• Callable/Future：支持有返回值的任务。
• ExecutorService：线程池接口。
• ReentrantLock/Semaphore：锁和信号量。
• AtomicVariables：原子变量类。
• CountDownLatch/CyclicBarrier：同步辅助类。
• BlockingQueue：阻塞队列。

二、synchronized关键字

2.1 synchronized原理

synchronized是Java中一个非常重要的关键字，用于保证多线程环境下的数据一致性和线程安全。它通过在对象头中设置一个monitor（监视器）来实现线程的同步。当一个线程进入synchronized代码块时，它会尝试获取对象的monitor。如果monitor已被其他线程占用，则当前线程会进入等待状态，直到monitor被释放。

2.2 synchronized的使用

2.2.1 同步方法

public class SynchronizedExample {
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 同步方法代码
    }
}

2.2.2 同步代码块

public class SynchronizedExample {
    private Object lock = new Object();

    public void synchronizedBlock() {
        synchronized (lock) {
            // 同步代码块代码
        }
    }
}

2.3 synchronized的优势与局限性

• 优势：简单易用，能够保证线程安全。
• 局限性：性能较低，因为每次只有一个线程能够访问同步代码块或方法，其他线程需要等待。

三、CAS（Compare-And-Swap）

3.1 CAS原理

CAS是一种无锁的同步机制，它的核心思想是通过比较并交换来实现线程安全。CAS操作包含三个参数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。如果内存位置的值等于预期原值，则将该位置的值更新为新值，否则不进行任何操作。CAS操作是原子性的，即在单个机器指令中完成，不会被其他线程打断。

3.2 CAS在Java中的应用

Java中提供了AtomicInteger、AtomicLong等原子类来实现CAS操作。这些类提供了compareAndSet方法，用于执行CAS操作。

3.2.1 AtomicInteger的使用

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASExample {
    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        atomicInteger.incrementAndGet();
    }

    public int getValue() {
        return atomicInteger.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        CASExample example = new CASExample();
        // 创建多个线程对atomicInteger进行递增操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment();
                }
            }).start();
        }
        // 等待所有线程执行完毕
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("最终结果：" + example.getValue());
    }
}

3.3 CAS的优势与局限性

• 优势：性能较高，因为不需要线程的阻塞和唤醒。
• 局限性：可能出现ABA问题，即在CAS操作期间，内存位置的值可能被其他线程修改后又恢复原值，导致CAS操作成功，但实际上数据已经被修改过。

四、synchronized与CAS的对比

4.1 性能对比

• synchronized：在Java 6之后，JVM对synchronized进行了优化，包括锁粗化、锁消除、自旋锁等，使得synchronized的性能得到了显著提升。但在高并发场景下，仍然可能存在性能瓶颈。
• CAS：由于不需要线程的阻塞和唤醒，CAS在高并发场景下通常具有更高的性能。

4.2 使用场景

• synchronized：适用于需要保证线程安全且代码块较短的场景。
• CAS：适用于高并发且需要频繁更新共享变量的场景。

五、总结

synchronized和CAS是Java并发编程模型中两种重要的机制。synchronized简单易用，能够保证线程安全，但在高并发场景下性能较低。CAS通过无锁的方式实现了高效的并发控制，但在某些情况下可能出现ABA问题。在实际开发中，我们需要根据具体的应用场景选择合适的并发控制机制，以提高程序的性能和可靠性。