多線程知識(shí)點(diǎn)目錄
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十九、CAS（比較并交換-樂(lè)觀鎖機(jī)制-鎖自旋）
19.1 概念及特性
CAS（Compare And Swap/Set）比較并交換童社。
CAS算法的過(guò)程：包含3個(gè)參數(shù)CAS(V,E,N)匈辱，分別為：
- V表示要更新的變量（內(nèi)存值）
- E表示預(yù)期值（舊的）
- N表示當(dāng)前值（新的）
當(dāng)且僅當(dāng)V值等于E值時(shí)胜蛉，才會(huì)將V的值設(shè)為N，如果V值和E值不同表窘，則說(shuō)明已經(jīng)有其他線程做了更新匣屡，則當(dāng)前線程什么都不做，最后女气，CAS返回當(dāng)前V的真實(shí)值杏慰。
CAS操作是抱著樂(lè)觀的態(tài)度進(jìn)行的（樂(lè)觀鎖），它總是認(rèn)為自己可以成功完成操作。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)使用CAS操作一個(gè)變量時(shí)缘滥，只有一個(gè)會(huì)勝出轰胁，并成功更新，其余均會(huì)失敗朝扼。失敗的線程不會(huì)被掛起赃阀，僅被告知失敗，并且允許再次嘗試擎颖，當(dāng)然也允許失敗的線程放棄操作榛斯。基于這樣的原理搂捧，CAS操作即使沒(méi)有鎖驮俗，也可以發(fā)現(xiàn)其他線程對(duì)當(dāng)前線程的干擾，并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>
19.2 原子包 java.util.concurrent.atomic（鎖自旋）
JDK1.5的原子包：java.util.concurrent.atomic這個(gè)包里面提供了一組原子類允跑。其基本的特性就是在多線程環(huán)境下王凑，當(dāng)有多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這些類的實(shí)力包含的方法時(shí)，具有排他性聋丝，即當(dāng)某個(gè)線程進(jìn)入方法索烹，執(zhí)行其中的指令時(shí)，不會(huì)被其他現(xiàn)成打斷弱睦，而別的現(xiàn)成就像自旋鎖一樣术荤，一直等到該方法執(zhí)行完成，才由JVM從等待隊(duì)列中選擇另一個(gè)線程進(jìn)入每篷，這只是一種邏輯上的理解。
相對(duì)于synchronized這種阻塞算法端圈，CAS是非阻塞算法的一種常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)（它在多線程環(huán)境中無(wú)需使用阻塞鎖焦读，從而減少了線程的阻塞和上下文切換，進(jìn)而提高了程序的性能舱权。）矗晃。由于一般CPU切換時(shí)間比CPU指令集操作更長(zhǎng)，所以J.U.C在性能上有了很大的提升宴倍。
19.3 ABA問(wèn)題
CAS的ABA問(wèn)題是指在并發(fā)編程中张症，使用CAS算法時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的一種問(wèn)題。
ABA問(wèn)題的原因是鸵贬，CAS算法需要在操作值的時(shí)候俗他，檢查某地址的內(nèi)容有沒(méi)有發(fā)生變化（和舊值進(jìn)行比較），如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新為新的值阔逼。但是兆衅，如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A羡亩，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化摩疑，但是實(shí)際上卻變化了。即：這個(gè)線程在操作的時(shí)候畏铆，其他線程也在進(jìn)行操作雷袋。
例如，有兩個(gè)線程T1和T2辞居，T1從內(nèi)存地址X中取出A楷怒，這時(shí)另一個(gè)線程T2也從內(nèi)存地址X中取出A，并且線程T2進(jìn)行了一系列操作將值改變成B速侈，寫(xiě)回主物理內(nèi)存率寡。然后線程T2又將內(nèi)存地址為X的數(shù)據(jù)變?yōu)锳，這個(gè)時(shí)候線程T1進(jìn)行了CAS操作發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中仍然是A倚搬，這時(shí)線程T1進(jìn)行CAS操作成功冶共。盡管線程T1的CAS操作成功，但并不代表這個(gè)過(guò)程就沒(méi)有問(wèn)題每界，這就是ABA問(wèn)題捅僵。
為了解決ABA問(wèn)題，可以使用版本號(hào)眨层。那么A→B→A就會(huì)變成1A→2B→3A庙楚。具體來(lái)說(shuō)，可以在每個(gè)值前面加上一個(gè)版本號(hào)趴樱，每次更新時(shí)將版本號(hào)加一馒闷。當(dāng)進(jìn)行CAS操作時(shí)，除了比較值之外叁征，還需要比較版本號(hào)纳账。只有當(dāng)版本號(hào)不變時(shí)，才說(shuō)明值沒(méi)有發(fā)生變化捺疼。這種方法可以確保在并發(fā)環(huán)境下正確地更新值疏虫。
二十、AQS（抽象的隊(duì)列同步器）
20.1 概念及特性
AbstractQueuedSynchronized類如其名啤呼，抽象的隊(duì)列式的同步器卧秘，AQS定義了一套多線程訪問(wèn)共享資源的同步器框架，許多同步類實(shí)現(xiàn)都依賴于它官扣，如常用的ReenTrantLock翅敌、Semaphore、CountDownLatch醇锚。
它維護(hù)了一個(gè)volatile int state（代表共享資源）和一個(gè)FIFO線程等待隊(duì)列（多線程爭(zhēng)用資源被阻塞時(shí)會(huì)進(jìn)入此隊(duì)列）哼御。
這里的 volatile 是關(guān)鍵字坯临，它確保了 state 的可見(jiàn)性。具體來(lái)說(shuō)恋昼，volatile 關(guān)鍵字可以確保每個(gè)線程在讀取 state 時(shí)都能得到最新的值看靠，而不是讀取到已經(jīng)被其他線程修改過(guò)的舊值。
state 的訪問(wèn)方式主要有三種：getState()液肌、setState() 和 compareAndSetState()：
- getState()：這個(gè)方法用于獲取當(dāng)前的狀態(tài)值挟炬。
- setState()：這個(gè)方法用于設(shè)置新的狀態(tài)值。
- compareAndSetState()：這個(gè)方法比較當(dāng)前狀態(tài)值和期望的狀態(tài)值嗦哆，如果兩者相等谤祖，則設(shè)置新的狀態(tài)值。這是一種原子操作老速，可以確保在多線程環(huán)境下粥喜，狀態(tài)的改變是原子的。
當(dāng)一個(gè)線程需要獲取資源時(shí)橘券，它首先會(huì)調(diào)用 getState() 方法來(lái)查看當(dāng)前的狀態(tài)额湘。如果狀態(tài)指示資源可用，那么線程就可以獲取資源并進(jìn)行操作旁舰。如果狀態(tài)指示資源不可用锋华，那么線程就會(huì)被放入等待隊(duì)列中，直到狀態(tài)變?yōu)榭捎谩?/p>
當(dāng)線程釋放資源時(shí)箭窜，它會(huì)調(diào)用 setState() 方法來(lái)改變狀態(tài)值毯焕。如果此時(shí)沒(méi)有其他線程在等待該資源，那么狀態(tài)改變后磺樱，等待隊(duì)列中的線程就可以按順序獲取資源并進(jìn)行操作纳猫。如果有其他線程在等待該資源找颓，那么狀態(tài)改變后屯伞，等待隊(duì)列中的線程將再次被放入隊(duì)列中等待。
20.2 AQS定義兩種資源共享方式
Exclusive 獨(dú)占資源（ReenTrantLock）
只有一個(gè)線程能執(zhí)行傻盟，如 ReentrantLock活孩。它又可分為公平鎖和非公平鎖：
- 公平鎖：按照線程在隊(duì)列中的排隊(duì)順序，先到者先拿到鎖乖仇。
- 非公平鎖：當(dāng)線程要獲取鎖時(shí)憾儒，無(wú)視隊(duì)列順序直接去搶鎖，誰(shuí)搶到就是誰(shuí)的乃沙。
資源共享和獲取/釋放的接口：tryAcquire() 和 tryRelease() 方法起趾。當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取資源時(shí)，如果資源當(dāng)前不可用警儒，那么該線程會(huì)被放入等待隊(duì)列训裆，直到資源可用眶根。當(dāng)線程釋放資源時(shí)，會(huì)檢查是否有其他線程在等待該資源边琉。
Share共享資源（Semaphore/CountDownLatch）
多個(gè)線程可同時(shí)執(zhí)行属百，如 CountDownLatch、Semaphore变姨、CyclicBarrier族扰、ReadWriteLock。例如定欧，ReentrantReadWriteLock 可以看成是組合式渔呵，因?yàn)?ReentrantReadWriteLock 也就是讀寫(xiě)鎖允許多個(gè)線程同時(shí)對(duì)某一資源進(jìn)行讀。
資源共享和獲取/釋放的接口：tryAcquireShared() 和 tryReleaseShared() 方法砍鸠。在共享模式下扩氢，多個(gè)線程可以同時(shí)獲取資源，但通常會(huì)有一個(gè)限制爷辱，比如同時(shí)最多有幾個(gè)線程可以獲取資源录豺。當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取資源時(shí)，如果資源當(dāng)前不可用托嚣，那么該線程會(huì)被放入等待隊(duì)列巩检，直到資源可用。當(dāng)線程釋放資源時(shí)示启，會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程兢哭。
由于獨(dú)占模式和共享模式的接口方法不同，因此 AQS 本身并沒(méi)有定義成抽象類夫嗓，而是定義了一個(gè)接口迟螺。這樣可以允許實(shí)現(xiàn)類根據(jù)具體的需求來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的接口方法。
對(duì)于自定義同步器來(lái)說(shuō)舍咖，只需要實(shí)現(xiàn) state 的獲取和釋放方式即可矩父。具體的線程等待隊(duì)列的維護(hù)（如獲取資源失敗時(shí)的入隊(duì)操作、喚醒出隊(duì)等）已經(jīng)由 AQS 在頂層實(shí)現(xiàn)了排霉。這樣可以讓自定義同步器專注于實(shí)現(xiàn)具體的資源獲取和釋放策略窍株，而不需要關(guān)心線程等待隊(duì)列的維護(hù)細(xì)節(jié)。
20.3 同步器的實(shí)現(xiàn)
以 ReentrantLock為例攻柠，它的實(shí)現(xiàn)確實(shí)是基于 AQS（AbstractQueuedSynchronized）的球订，state 變量用來(lái)表示資源的狀態(tài)。在 ReentrantLock 的 lock()方法中瑰钮，會(huì)調(diào)用 tryAcquire()方法嘗試獲取資源冒滩，如果 state 為 0因苹，表示資源未被占用扶檐，這時(shí)線程會(huì)將 state 加 1蘸秘，并設(shè)置自己的狀態(tài)為擁有資源狀態(tài)醋虏。此后哮翘，其他線程再嘗試 lock()時(shí)就會(huì)失敗，直到當(dāng)前擁有資源的線程調(diào)用 unlock()方法釋放資源阻课，將 state 設(shè)置為 0，其他線程才有機(jī)會(huì)獲取該鎖署驻。
在 CountDownLatch的例子中，state 變量也用來(lái)表示資源的狀態(tài)宣吱，但它的作用是記錄需要等待的子線程數(shù)量。在 CountDownLatch 的構(gòu)造函數(shù)中瞳别，會(huì)將 state 初始化為 N，表示有 N 個(gè)子線程需要執(zhí)行痪宰。然后扮饶，這 N 個(gè)子線程會(huì)并行執(zhí)行任務(wù)甜无，每個(gè)子線程執(zhí)行完后會(huì)調(diào)用 countDown()方法將 state 減 1奥帘。當(dāng) state 減為 0 時(shí)仪召，表示所有子線程都已執(zhí)行完畢已旧，這時(shí)就會(huì)喚醒主調(diào)用線程吐句，使其從 await()方法返回文虏，繼續(xù)后續(xù)操作殖演。
無(wú)論是 ReentrantLock 還是 CountDownLatch氧秘，它們都利用了 AQS 提供的隊(duì)列和 state 變量等核心機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的獲取和釋放。通過(guò)這種方式趴久，可以將同步器的實(shí)現(xiàn)與具體的資源獲取和釋放策略分離丸相，從而提供更大的靈活性。
20.4 ReentrantReadWriteLock 實(shí)現(xiàn)獨(dú)占和共享兩種方式
ReentrantReadWriteLock 是 Java 中的一個(gè)讀寫(xiě)鎖彼棍，它允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源灭忠，但只允許一個(gè)線程寫(xiě)入共享資源膳算。在 ReentrantReadWriteLock 中，讀鎖和寫(xiě)鎖是互斥的弛作，因此 ReentrantReadWriteLock 實(shí)現(xiàn)的是獨(dú)占式的資源訪問(wèn)涕蜂。
在 ReentrantReadWriteLock 中，讀鎖和寫(xiě)鎖的獲取和釋放都是通過(guò)內(nèi)部的鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的映琳。讀鎖和寫(xiě)鎖的狀態(tài)都是通過(guò) state 變量來(lái)維護(hù)的机隙。當(dāng)一個(gè)線程獲取寫(xiě)鎖時(shí)，它會(huì)先將 state 加 1萨西，表示有一個(gè)寫(xiě)線程正在等待獲取鎖有鹿。如果此時(shí)還有讀線程正在等待獲取讀鎖，那么這些讀線程可以繼續(xù)等待獲取鎖原杂。但是印颤，如果此時(shí)沒(méi)有讀線程正在等待獲取讀鎖，那么獲取寫(xiě)鎖的線程就可以獲取到鎖并執(zhí)行穿肄。
在實(shí)現(xiàn) ReentrantReadWriteLock 時(shí)年局，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)獨(dú)占和共享兩種方式。具體來(lái)說(shuō)咸产，需要實(shí)現(xiàn) tryAcquire()和 tryRelease()方法來(lái)支持獨(dú)占式的資源訪問(wèn)矢否，同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn) tryAcquireShared()和 tryReleaseShared()方法來(lái)支持共享式的資源訪問(wèn)。在 ReentrantReadWriteLock 中脑溢，獲取讀鎖和寫(xiě)鎖的過(guò)程是原子性的僵朗，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的控制。
總之屑彻，ReentrantReadWriteLock 是一種支持獨(dú)占和共享兩種方式的同步器验庙，它通過(guò)內(nèi)部的鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的控制，允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源社牲，但只允許一個(gè)線程寫(xiě)入共享資源粪薛。
