CAS
Compare And Swap (Compare And Exchange) / 自旋 / 自旋锁 / 无锁 （无重量锁）
因为经常配合循环操作，直到完成为止，所以泛指一类操作
cas(v, a, b) ，变量v，期待值a, 修改值b
ABA问题，你的女朋友在离开你的这段儿时间经历了别的人，自旋就是你空转等待，一直等到她接纳你为止
解决办法（版本号 AtomicStampedReference），基础类型简单值不需要版本号
CAS典型应用
java.util.concurrent.atomic 包下的类大多是使用CAS操作来实现的(eg. AtomicInteger.java,AtomicBoolean,AtomicLong)。下面以 AtomicInteger.java 的部分实现来大致讲解下这些原子类的实现。
AQS:
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，AQS是JDK下提供的一套用于实现基于FIFO等待队列的阻塞锁和相关的同步器的一个同步框架。这个抽象类被设计为作为一些可用原子int值来表示状态的同步器的基类。如果你有看过类似 CountDownLatch 类的源码实现，会发现其内部有一个继承了 AbstractQueuedSynchronizer 的内部类 Sync 。可见 CountDownLatch 是基于AQS框架来实现的一个同步器.类似的同步器在JUC下还有不少。(eg. Semaphore )
AQS 原理概览
AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配。
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图：
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。
/**
* The synchronization state.
*//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
*/
private volatile int state;
/**
* Returns the current value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
* @return current state value
*/
protected final int getState() {
return state;
}
/**
* Sets the value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
* @param newState the new state value
*/
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
/**
* Atomically sets synchronization state to the given updated
* value if the current state value equals the expected value.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
* and write.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
* value was not equal to the expected value.
* 使用CAS底层底层实现进行修改,底层为本地native方法，是c++书写的，
* 底层c++ LOCK_IF_MP(mp) 指令：lock cmpxchg 指令
* lock指令在执行后面指令的时候锁定一个北桥信号，实现原子性
* 多线程情况下，与CPU交互的底层指令会加lock锁，
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}AQS 对资源的共享方式
AQS定义两种资源共享方式：
Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：
公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁 //lock();方法
非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的 //tryLock()方法
Share（共享）：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock。
ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。
AQS底层使用了模板方法模式
同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样：
使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法：
isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。
以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS(Compare and Swap)减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。
AQS 组件总结
Semaphore(信号量)：允许多个线程同时访问， synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。
CountDownLatch （倒计时器）： CountDownLatch是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。
CyclicBarrier(循环栅栏)： CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await()方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
//tryLock()和try()都是继承内部类Sync,
private final Sync sync;
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
/**
* Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
* is to allow fast path for nonfair version.
*/
abstract void lock();
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
protected final boolean isHeldExclusively() {
// While we must in general read state before owner,
// we don't need to do so to check if current thread is owner
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
// Methods relayed from outer class
final Thread getOwner() {
return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
final int getHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}
final boolean isLocked() {
return getState() != 0;
}
/**
* Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it).
*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
而Sync实现AbstractQueuedSynchronizer类
ReentrantLock如何处理线程中断的?
AbstractQueuedSynchronizer的parkAndCheckInterrupt()
阻塞队列使用的LockSupport.park();
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
因为LockSupport.park()，无法响应Thread.interrupt(); 所以当unpark()后使用Thread.interrupted()来判断线程是否有中断过。如果中断过整个唤醒的线程在外层方法会继续执行一次中断，详情源码如下：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
tryLock和lock不同点
1. tryLock不管拿到拿不到都直接返回；lock如果拿不到则会一直等待。
2. tryLock是可以中断的。
锁tryLock();
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
reentrantLock.tryLock();
public boolean tryLock() {
//调用SYNC的非公平锁方法，去尝试获得锁
return sync.nonfairTryAcquire(1);
}
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果当前state为0则表示未被加锁
if (c == 0) {
//调用CAS方法，将state的状态从未加锁0改为加锁状态1，多线程情况下，可能会出现加锁失败
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
//加锁成功，则把当前线程设置为，当前独占锁的拥有者
setExclusiveOwnerThread(current);
//并返回
return true;
}
}
//如果当前锁的拥有者是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//则将state加1，表示再次加锁，释放锁时候，只有当state值为0，才表示释放锁完成
int nextc = c + acquires;
//当nextc小于0，则表示超过了，锁的最大计数器
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置state为nextc，并返回true
setState(nextc);
return true;
}
//否则返回false
return false;
}lock() 非公平锁：来了先抢占，抢不到，再进队列
//默认非公平锁，true表示公平锁，false表示非公平锁，
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(false);
reentrantLock.lock();
//NonfairSync extends Sync 使用NonfairSync中的lock
public void lock() {
sync.lock();
}
final void lock() {
//采用cas设置state为1
if (compareAndSetState(0, 1))
//设置成功，则表示获得锁，并将当前线程设置为锁的拥有者
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//否则
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
//// 如果获取不到锁，就放进等待队列（addWaiter），然后阻塞直到成功获取到锁
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果标志State为0
if (c == 0) {
//当前等待队列为空，并进行CAS操作成功
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//则将当前线程设置为独占锁持有者
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前锁的拥有者是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//则将state加1，表示再次加锁，释放锁时候，只有当state值为0，才表示释放锁完成
int nextc = c + acquires;
//当nextc小于0，则表示超过了，锁的最大计数器
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置state为nextc，并返回true
setState(nextc);
return true;
}
//否则返回false
return false;
}
}
// 从clh中选一个线程获取占用资源
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 当节点的先驱是head的时候，就可以尝试获取占用资源了tryAcquire
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 如果获取到资源，则将当前节点设置为头节点head
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 如果获取失败的话，判断是否可以休息，可以的话就进入waiting状态，直到被unpark()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private Node addWaiter(Node mode) {
// 封装当前线程和模式为新的节点,并将其加入到队列中
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) {
// tail为null，说明还没初始化，此时需进行初始化工作
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 否则的话，将当前线程节点作为tail节点加入到CLH中去
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
lock()公平锁下 公平锁：老的线程在排队，新来的线程也一样要排队，不能抢占
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
reentrantLock.lock();
public void lock() {
sync.lock();
}
//FairSync extends Sync，使用FairSync中的lock()方法
final void lock() {
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
//// 如果获取不到锁，就放进等待队列（addWaiter），然后阻塞直到成功获取到锁
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果标志State为0
if (c == 0) {
//当前等待队列为空，并进行CAS操作成功
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
//则将当前线程设置为独占锁持有者
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前锁的拥有者是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//则将state加1，表示再次加锁，释放锁时候，只有当state值为0，才表示释放锁完成
int nextc = c + acquires;
//当nextc小于0，则表示超过了，锁的最大计数器
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//设置state为nextc，并返回true
setState(nextc);
return true;
}
//否则返回false
return false;
}
}
// 从clh中选一个线程获取占用资源
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 当节点的先驱是head的时候，就可以尝试获取占用资源了tryAcquire
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 如果获取到资源，则将当前节点设置为头节点head
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 如果获取失败的话，判断是否可以休息，可以的话就进入waiting状态，直到被unpark()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private Node addWaiter(Node mode) {
// 封装当前线程和模式为新的节点,并将其加入到队列中
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) {
// tail为null，说明还没初始化，此时需进行初始化工作
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 否则的话，将当前线程节点作为tail节点加入到CLH中去
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
CountDownLatch 类
public class CountDownLatch {
/**
* 基于AQS的内部Sync
* 使用AQS的state来表示计数count.
*/
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
Sync(int count) {
// 使用AQS的getState()方法设置状态
setState(count);
}
int getCount() {
// 使用AQS的getState()方法获取状态
return getState();
}
// 覆盖在共享模式下尝试获取锁
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 这里用状态state是否为0来表示是否成功，为0的时候可以获取到返回1，否则不可以返回-1
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
// 覆盖在共享模式下尝试释放锁
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 在for循环中Decrement count直至成功;
// 当状态值即count为0的时候，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;
// 使用给定计数值构造CountDownLatch
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
// 让当前线程阻塞直到计数count变为0，或者线程被中断
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 阻塞当前线程，除非count变为0或者等待了timeout的时间。当count变为0时，返回true
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
// count递减
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
// 获取当前count值
public long getCount() {
return sync.getCount();
}
public String toString() {
return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";
}
}