java 并发编程之CAS与AQS

￡神魔★判官ぃ 2023-06-26 12:25 34阅读 0赞

还有一个月就要过春节了，过完春节回来又到了一年一度的换工作的时间了，尤其是程序员只能靠跳槽来使工资保证能达到市场的平均水平，而在面试中CAS和AQS又是面试经常问到的问题，希望明年准备换工作的朋友们面试能够用的上。

CAS：Compare And Swap 即比较替换的意思，在多线程并发中我们可以使用锁来保证线程的安全问题，但是使用锁机制也会导致性能问题，比如使用Synchornized就会引起线程阻塞的问题，CAS就是为了解决这个问题应运而生的。在jdk中大量的API通过CAS来解决多线程中的线程安全问题，我们通过一个原子类来看下CAS的使用。AtomicInteger就是一个使用了CAS的原子类，我们通过源码来看下。

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从AtomicInteger的源码可以看到compareAndSet()方法的内部实现其实是由unsafe类下的compareAndSwapInt()方法实现的，这些compareAndSwap开头的方法都是基于CAS来实现的，unsafe提供了硬件级别的原子操作来实现CAS，那么CAS到底是什么呢？

CAS包括三个操作数：内存位置、预期原值、新值。如果内存位置的值与预期原值匹配，那么就把内存位置的值更新为新值，否则的话处理器不做操作。CAS说明了处理器认为内存位置应该包含预期原值，如果包含则将新值放到这个位置，否则返回该位置的值即可。

但是CAS这样也是存在问题的，就是大家熟知的ABA的问题，如果不知道ABA的朋友听我给你慢慢说来，如果有一个线程1对一个值A进行操作计算，在线程1还未操作完成时，线程2把这个值改为了B，然后又有一个线程3又把B改为了A，这时线程1计算完毕，然后就通过CAS来检查A，发现内存的值与原来相等，就直接把计算的值更新掉了。

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这就是ABA问题，出现这个问题的原因是原来内存中的A与后来的A没有区别，所以不知道这是被修改过的。后来java又提供了AtomicStampedReference类来解决CAS的ABA问题，解决办法就是给值加上一个版本号来区分是否被修改过。

这就是CAS了，至于在硬件层面是怎么设计的，就暂时不是咱们考虑的了。

那么AQS又是什么呢？

AQS：AbstractQueuedSynchronizer 的缩写，AQS是一个提供了原子式管理同步状态、阻塞功能和线程唤醒功能以及队列的一个同步框架。

AQS的思想就是如果被请求的共享资源空闲的话，就把当前请求的线程设置为有效的线程，并且把共享资源进行锁定，当其它线程来请求的时候，共享资源被占用，就把请求线程放入队列进行等待，如果有效线程任务完成，就按顺序把队列中的线程设置为有效线程。在AQS中state 默认为0，表示没有线程加锁，如果已经加锁则state = 1，有效线程默认为null，如果有加锁线程，则有效线程就是加锁线程，等待队列就是存放等待中的线程的。我们借助ReentrantLock来理解AQS的原理，下图是默认状态。

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如果有线程1进行了加锁，那么Thread1 就会使用CAS操作使AQS state = 1，有效线程等于线程1.

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如果现在又有一个线程，Thread2来请求共享资源，那么Thread检查到state = 1，说明已经有人加了锁了并且不是自己，通过有效线程可以看到是Thread1占用了锁，那么这时候Thread2就是加锁失败，就会进入到等待队列中进行排队，等到Thread1的逻辑执行完成后，Thread就会使用CAS操作把state置为0，就彻底释放了锁，有效线程置为null， Thread2自己就可以再次尝试加锁了。

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看到这里大家应该明白了AQS是什么了吧，AQS就是一个包含了state变量，等待队列等，用来处理并发的基础组件，用来实现各种锁和各种同步组件的。

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