深入理解CAS与AQS

一、CAS

1、什么是CAS

首先，CAS是一种算法，不是锁
CAS，其实是个简称，全称是 Compare And Swap，对比之后交换数据

• CAS的实现原理
  • 首先呢，我们通过它的全称就可以看出来，CAS先是对比数据，然后再执行具体的原子操作。
  • 几个参数介绍：
    
    • this：Unsafe 对象本身，需要通过这个类来获取 value 的内存偏移地址
    • valueOffset：value 变量的内存偏移地址
      • 这个就是现在要获取更新的那个变量
        
        由此可见，他获取的这个value是通过volatile来修饰的，所以说直接从主存中获取这个值
      • volatile的作用：
        • 保障了共享变量的可见性（我们要了解JMM，即java内存模型,这个特点的实现靠的是 内存一致性协议）
        • 防止指令重排序（单例模式的一种双检索实现里面(DCL)应用的就是这个特性）
    • expect：期望更新的值（一开始获取的值）
    • update：要更新的最新值
  • 如果原子变量中的 value 值等于 expect，则使用 update 值更新该值并返回 true，否则返回 false。

    通俗来讲就是比如有一个值 int x = 0；要对x进行++操作，那么我就获取这个x的值，作为expect，进行++操作以后，x 等于1，往回更新的时候看看此时的x是不是还是0，如果还是原来的值，就更新x为1，如果此时x的值不是0，而是100，那么就是CAS失败，返回false

2、CAS进行原子操作的三大问题

• ABA问题
  • 因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
  • 解决办法：使用版本号来进行控制。在变量前面 追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A
• 循环时间长开销大
  • 这种情况就是在循环CAS的情况产生的一种问题。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
  • 解决办法就是可以给他设置一个上限值，超过这个值还没成功就返回false。
• 只能保证一个共享变量的原子操作
  • 当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性。
  • 这个时候就可以用锁
  • 是把多个共享变量合并成一个共享变量来 操作

3、循环CAS

应用场景最多，他的意思就是我在执行一次CAS操作下，看看是否可以执行成功，如果执行不成功，那么我就可以获取最新的值，重复进行操作，直到成功为止。

二、AQS

1、核心思想

AQS全称为AbstractQueuedSynchronizer，它的核心思想就是线程请求一个共享资源，如果这个资源目前没有被锁定，是处于空闲状态，那么这个线程就占用这块资源，并将这块共享资源的状态设置为锁定状态。如果这块资源被占用，已经处于锁定状态，那么这个线程就会被分配到一个队列里面，等待被唤醒获取这个锁（AQS通过CLH队列锁来实现，这个队列是一个FIFO队列，即先进先出）。

2、具体实现

• 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
• private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
• compareAndSetState(int expect, int update) 通过CAS操作将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
  

3、AQS 对资源的两种共享方式

• 独占

  • 只有一个线程能执行，典型应用就是ReentrantLock（重入锁）
  • 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
      • 符合线程请求的绝对时间顺序
    • 非公平锁：当线程获取锁的时候，先通过CAS操作去抢锁，如果没抢到再加入到队列中等待被唤醒。
      • 可能造成线程“饥饿”，但极少的线程切换，保证了其更大的吞吐量，性能更高。但是非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定，可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。
    • ReentrantLock
      • ReentrantLock 默认采用非公平锁，因为考虑获得更好的性能，通过 boolean 来决定是否用公平锁（传入 true 用公平锁）
      • 非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁返回了。
      • 非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法，在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁，但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。
      • 如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的，都要进入到阻塞队列等待唤醒。

• 共享

  • 就是多个线程可同时执行
  • 读写锁中的读锁
  • CountDownLatch（倒计时器）

4、AQS 的应用

• ReentrantLock （上面已经讲解过了）
• ReentrantReadWriteLock（读写锁）
  • 可以保证多个线程可以同时读，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。所以在读操作远大于写操作的时候，读写锁就非常有用了。
• Semaphore(信号量)
• CountDownLatch （倒计时器）
• CyclicBarrier(循环栅栏)