abstrak：一、CAS和synchronized適用場景1、對于資源競爭較少的情況，使用synchronized同步鎖進行線程阻塞和喚醒切換以及用戶態(tài)內核態(tài)間的切換操作額外浪費消耗cpu資源；而CAS基于硬件實現(xiàn)，不需要進入內核，不需要切換線程，操作自旋幾率較少，因此可以獲得更高的性能。2、對于資源競爭嚴重的情況，CAS自旋的概率會比較大，從而浪費更多的CPU資源，效率低于synchronized。以java
一、CAS和synchronized適用場景
1、對于資源競爭較少的情況，使用synchronized同步鎖進行線程阻塞和喚醒切換以及用戶態(tài)內核態(tài)間的切換操作額外浪費消耗cpu資源；而CAS基于硬件實現(xiàn)，不需要進入內核，不需要切換線程，操作自旋幾率較少，因此可以獲得更高的性能。
2、對于資源競爭嚴重的情況，CAS自旋的概率會比較大，從而浪費更多的CPU資源，效率低于synchronized。以java.util.concurrent.atomic包中AtomicInteger類為例，其getAndIncrement()方法實現(xiàn)如下：
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}如果compareAndSet(current, next)方法成功執(zhí)行，則直接返回；如果線程競爭激烈，導致compareAndSet(current, next)方法一直不能成功執(zhí)行，則會一直循環(huán)等待，直到耗盡cpu分配給該線程的時間片，從而大幅降低效率。
二、CAS錯誤的使用場景
public class CASDemo {
private final int THREAD_NUM = 1000;
private final int MAX_VALUE = 20000000;
private AtomicInteger casI = new AtomicInteger(0);
private int syncI = 0;
private String path = "/Users/pingping/DataCenter/Books/Linux/Linux常用命令詳解.txt";
public void casAdd() throws InterruptedException {
long begin = System.currentTimeMillis();
Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while (casI.get() < MAX_VALUE) {
casI.getAndIncrement();
}
}
});
threads[i].start();
}
for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++) {
threads[j].join();
}
System.out.println("CAS costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
}
public void syncAdd() throws InterruptedException {
long begin = System.currentTimeMillis();
Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while (syncI < MAX_VALUE) {
synchronized ("syncI") {
++syncI;
}
}
}
});
threads[i].start();
}
for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++)
threads[j].join();
System.out.println("sync costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
}
}在我的雙核cpu上運行，結果如下：
可見在不同的線程下，采用CAS計算消耗的時間遠多于使用synchronized方式。原因在于第15行
14 while (casI.get() < MAX_VALUE) {
15 casI.getAndIncrement();
16 }
的操作是一個耗時非常少的操作，15行執(zhí)行完之后會立刻進入循環(huán)，繼續(xù)執(zhí)行，從而導致線程沖突嚴重。
三、改進的CAS使用場景
為了解決上述問題，只需要讓每一次循環(huán)執(zhí)行的時間變長，即可以大幅減少線程沖突。修改代碼如下：
public class CASDemo {
private final int THREAD_NUM = 1000;
private final int MAX_VALUE = 1000;
private AtomicInteger casI = new AtomicInteger(0);
private int syncI = 0;
private String path = "/Users/pingping/DataCenter/Books/Linux/Linux常用命令詳解.txt";
public void casAdd2() throws InterruptedException {
long begin = System.currentTimeMillis();
Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while (casI.get() < MAX_VALUE) {
casI.getAndIncrement();
try (InputStream in = new FileInputStream(new File(path))) {
while (in.read() != -1);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
threads[i].start();
}
for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++)
threads[j].join();
System.out.println("CAS Random costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
}
public void syncAdd2() throws InterruptedException {
long begin = System.currentTimeMillis();
Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while (syncI < MAX_VALUE) {
synchronized ("syncI") {
++syncI;
}
try (InputStream in = new FileInputStream(new File(path))) {
while (in.read() != -1);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
threads[i].start();
}
for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++)
threads[j].join();
System.out.println("sync costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
}
}在while循環(huán)中，增加了一個讀取文件內容的操作，該操作大概需要耗時40ms，從而可以減少線程沖突。測試結果如下：
可見在資源沖突比較小的情況下，采用CAS方式和synchronized同步效率差不多。為什么CAS相比synchronized沒有獲得更高的性能呢？
測試使用的jdk為1.7，而從jdk1.6開始，對鎖的實現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化，如鎖粗化（Lock Coarsening）、鎖消除（Lock Elimination）、輕量級鎖（Lightweight Locking）、偏向鎖（Biased Locking）、適應性自旋（Adaptive Spinning）等技術來減少鎖操作的開銷。而其中自旋鎖的原理，類似于CAS自旋，甚至比CAS自旋更為優(yōu)化。
四、總結
1、使用CAS在線程沖突嚴重時，會大幅降低程序性能；CAS只適合于線程沖突較少的情況使用。
2、synchronized在jdk1.6之后，已經(jīng)改進優(yōu)化。synchronized的底層實現(xiàn)主要依靠Lock-Free的隊列，基本思路是自旋后阻塞，競爭切換后繼續(xù)競爭鎖，稍微犧牲了公平性，但獲得了高吞吐量。在線程沖突較少的情況下，可以獲得和CAS類似的性能；而線程沖突嚴重的情況下，性能遠高于CAS。