說起JAVA并發(fā)編程，就不得不聊聊CAS(Compare And Swap)和AQS了(AbstractQueuedSynchronizer)。

CAS(Compare And Swap)

什么是CAS

CAS(Compare And Swap)燎孟，即比較并交換。是解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機(jī)制树枫，CAS操作包含三個(gè)操作數(shù)——內(nèi)存位置（V）募舟、預(yù)期原值（A）和新值(B)。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配盹兢，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值邻梆。否則，處理器不做任何操作绎秒。無論哪種情況浦妄，它都會(huì)在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說明了“我認(rèn)為位置V應(yīng)該包含值A(chǔ)见芹；如果包含該值剂娄，則將B放到這個(gè)位置；否則玄呛，不要更改該位置阅懦，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。

在JAVA中把鉴，sun.misc.Unsafe 類提供了硬件級(jí)別的原子操作來實(shí)現(xiàn)這個(gè)CAS故黑。 java.util.concurrent 包下的大量類都使用了這個(gè) Unsafe.java 類的CAS操作儿咱。至于 Unsafe.java 的具體實(shí)現(xiàn)這里就不討論了。

CAS典型應(yīng)用

java.util.concurrent.atomic 包下的類大多是使用CAS操作來實(shí)現(xiàn)的(eg. AtomicInteger.java,AtomicBoolean,AtomicLong)场晶。下面以 AtomicInteger.java的部分實(shí)現(xiàn)來大致講解下這些原子類的實(shí)現(xiàn)混埠。

  public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
      private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

    private volatile int value;// 初始int大小
    // 省略了部分代碼...

    // 帶參數(shù)構(gòu)造函數(shù)，可設(shè)置初始int大小
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    // 不帶參數(shù)構(gòu)造函數(shù),初始int大小為0
    public AtomicInteger() {
    }

    // 獲取當(dāng)前值
    public final int get() {
        return value;
    }

    // 設(shè)置值為 newValue
    public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
    }

    //返回舊值诗轻，并設(shè)置新值為　newValue
    public final int getAndSet(int newValue) {
        /**
        * 這里使用for循環(huán)不斷通過CAS操作來設(shè)置新值
        * CAS實(shí)現(xiàn)和加鎖實(shí)現(xiàn)的關(guān)系有點(diǎn)類似樂觀鎖和悲觀鎖的關(guān)系
        * */
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }

    // 原子的設(shè)置新值為update, expect為期望的當(dāng)前的值
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    // 獲取當(dāng)前值current钳宪，并設(shè)置新值為current+1
    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

    // 此處省略部分代碼，余下的代碼大致實(shí)現(xiàn)原理都是類似的
}

一般來說在競(jìng)爭(zhēng)不是特別激烈的時(shí)候扳炬，使用該包下的原子操作性能比使用 synchronized 關(guān)鍵字的方式高效的多(查看getAndSet()吏颖，可知如果資源競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的話，這個(gè)for循環(huán)可能換持續(xù)很久都不能成功跳出恨樟。不過這種情況可能需要考慮降低資源競(jìng)爭(zhēng)才是)半醉。
在較多的場(chǎng)景我們都可能會(huì)使用到這些原子類操作。一個(gè)典型應(yīng)用就是計(jì)數(shù)了劝术，在多線程的情況下需要考慮線程安全問題缩多。通常第一映像可能就是:

public class Counter {
    private int count;
    public Counter(){}
    public int getCount(){
        return count;
    }
    public void increase(){
        count++;
    }
}

上面這個(gè)類在多線程環(huán)境下會(huì)有線程安全問題，要解決這個(gè)問題最簡(jiǎn)單的方式可能就是通過加鎖的方式,調(diào)整如下:

public class Counter {
    private int count;
    public Counter(){}
    public synchronized int getCount(){
        return count;
    }
    public synchronized void increase(){
        count++;
    }
}

這類似于悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)养晋，我需要獲取這個(gè)資源衬吆，那么我就給他加鎖，別的線程都無法訪問該資源绳泉，直到我操作完后釋放對(duì)該資源的鎖逊抡。我們知道，悲觀鎖的效率是不如樂觀鎖的零酪，上面說了Atomic下的原子類的實(shí)現(xiàn)是類似樂觀鎖的冒嫡，效率會(huì)比使用 synchronized 關(guān)系字高，推薦使用這種方式四苇，實(shí)現(xiàn)如下:

public class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    public Counter(){}
    public int getCount(){
        return count.get();
    }
    public void increase(){
        count.getAndIncrement();
    }
}

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

什么是AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)灯谣，AQS是JDK下提供的一套用于實(shí)現(xiàn)基于FIFO等待隊(duì)列的阻塞鎖和相關(guān)的同步器的一個(gè)同步框架。這個(gè)抽象類被設(shè)計(jì)為作為一些可用原子int值來表示狀態(tài)的同步器的基類蛔琅。如果你有看過類似 CountDownLatch 類的源碼實(shí)現(xiàn)胎许，會(huì)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有一個(gè)繼承了 AbstractQueuedSynchronizer 的內(nèi)部類 Sync ÷奘郏可見 CountDownLatch 是基于AQS框架來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)同步器.類似的同步器在JUC下還有不少辜窑。(eg. Semaphore )

AQS用法

如上所述，AQS管理一個(gè)關(guān)于狀態(tài)信息的單一整數(shù)寨躁，該整數(shù)可以表現(xiàn)任何狀態(tài)穆碎。比如， Semaphore 用它來表現(xiàn)剩余的許可數(shù)职恳，ReentrantLock用它來表現(xiàn)擁有它的線程已經(jīng)請(qǐng)求了多少次鎖所禀；FutureTask 用它來表現(xiàn)任務(wù)的狀態(tài)(尚未開始方面、運(yùn)行、完成和取消)

To use this class as the basis of a synchronizer, redefine the

• following methods, as applicable, by inspecting and/or modifying
• the synchronization state using {@link #getState}, {@link

• setState} and/or {@link #compareAndSetState}:

• <ul>
• <li> {@link #tryAcquire}
• <li> {@link #tryRelease}
• <li> {@link #tryAcquireShared}
• <li> {@link #tryReleaseShared}
• <li> {@link #isHeldExclusively}
• </ul>

如JDK的文檔中所說色徘，使用AQS來實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步器需要覆蓋實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)方法恭金，并且使用getState,setState,compareAndSetState這幾個(gè)方法來設(shè)置獲取狀態(tài)
1. boolean tryAcquire(int arg)
2. boolean tryRelease(int arg)
3. int tryAcquireShared(int arg)
4. boolean tryReleaseShared(int arg)
5. boolean isHeldExclusively()

以上方法不需要全部實(shí)現(xiàn)，根據(jù)獲取的鎖的種類可以選擇實(shí)現(xiàn)不同的方法褂策，支持獨(dú)占(排他)獲取鎖的同步器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)tryAcquire横腿、 tryRelease、isHeldExclusively而支持共享獲取的同步器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)tryAcquireShared斤寂、tryReleaseShared耿焊、isHeldExclusively。下面以 CountDownLatch 舉例說明基于AQS實(shí)現(xiàn)同步器, CountDownLatch 用同步狀態(tài)持有當(dāng)前計(jì)數(shù)遍搞，countDown方法調(diào)用 release從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)器遞減罗侯；當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，解除所有線程的等待溪猿；await調(diào)用acquire歇父，如果計(jì)數(shù)器為0，acquire會(huì)立即返回再愈，否則阻塞。通常用于某任務(wù)需要等待其他任務(wù)都完成后才能繼續(xù)執(zhí)行的情景护戳。源碼如下:

public class CountDownLatch {
    /**
     * 基于AQS的內(nèi)部Sync
     * 使用AQS的state來表示計(jì)數(shù)count.
     */
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

        Sync(int count) {
            // 使用AQS的getState()方法設(shè)置狀態(tài)
            setState(count);
        }

        int getCount() {
            // 使用AQS的getState()方法獲取狀態(tài)
            return getState();
        }

        // 覆蓋在共享模式下嘗試獲取鎖
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            // 這里用狀態(tài)state是否為0來表示是否成功翎冲，為0的時(shí)候可以獲取到返回1，否則不可以返回-1
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

        // 覆蓋在共享模式下嘗試釋放鎖
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // 在for循環(huán)中Decrement count直至成功;
            // 當(dāng)狀態(tài)值即count為0的時(shí)候媳荒，返回false表示 signal when transition to zero
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }

    private final Sync sync;

    // 使用給定計(jì)數(shù)值構(gòu)造CountDownLatch
    public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }

    // 讓當(dāng)前線程阻塞直到計(jì)數(shù)count變?yōu)?抗悍，或者線程被中斷
    public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    // 阻塞當(dāng)前線程，除非count變?yōu)?或者等待了timeout的時(shí)間钳枕。當(dāng)count變?yōu)?時(shí)缴渊，返回true
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    // count遞減
    public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    // 獲取當(dāng)前count值
    public long getCount() {
        return sync.getCount();
    }

    public String toString() {
        return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";
    }
}

本文大致就講了這些東西，有些地方說的也不是特別好鱼炒。也有不全的地方衔沼，AQS的東西還是有不少的，建議大家自己去看JUC下的各個(gè)類的實(shí)現(xiàn)昔瞧，配合《JAVA并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》這本書指蚁，相信是可以看明白的，從而得到更深刻的理解自晰。
作者：vioao
來源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/u010862794/article/details/72892300
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