CAS和AQS

2023-08-21 约 2800 字预计阅读 6 分钟 - 次阅读

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本文最后更新于 2023-08-21，文中内容可能已过时。

在Java并发编程中，CAS（Compare-And-Swap）和AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是两个非常重要的概念和工具。它们分别代表了两种不同的同步机制，用于解决多线程并发访问共享资源时的数据一致性问题。

CAS概述

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁算法，它通过原子操作来保证数据的一致性，而不需要使用传统的锁机制。CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、期望的原值（A）和新值（B）。CAS操作会检查内存位置V的值是否等于期望的原值A，如果是，则将内存位置V的值更新为新值B，这个过程是原子的。

在Java中，java.util.concurrent.atomic包下的类（如AtomicInteger、AtomicLong等）就是基于CAS实现的。这些类提供了一系列原子操作，如incrementAndGet()、decrementAndGet()等，它们能够在多线程环境下安全地更新共享变量的值。

CAS的优点是性能高，因为它避免了线程挂起和唤醒的开销。但是，CAS也存在一些问题，如ABA问题和自旋开销等。ABA问题是指，如果一个变量原来是A，后来被一条线程改为B，最后又被改回A，则CAS检查时会认为这个变量从来没有被改变过。自旋开销是指，当CAS操作失败时，线程会不断重试，这可能会导致CPU资源的浪费。

AQS概述

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包java.util.concurrent.locks中的一个核心组件，它是一个用于构建锁和同步器的框架。AQS使用一个int类型的变量来表示同步状态，并提供了一系列的方法来操作这个状态。AQS将请求共享资源的线程封装成排队的节点并加入同步队列中，通过维护一个FIFO（先进先出）的队列来管理等待获取锁的线程。

AQS的设计是基于模板方法模式的，它定义了一些需要被继承者实现的方法来管理同步状态。例如，tryAcquire方法尝试获取锁，tryRelease方法尝试释放锁。这些方法需要由具体的同步器来实现。

Java中的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等同步工具类都是基于AQS实现的。这些类通过继承AQS并实现相关的方法来管理同步状态。

总的来说，CAS和AQS都是Java并发编程中解决多线程同步问题的重要工具。CAS通过原子操作实现无锁化的数据访问，适用于简单的数据更新场景；而AQS则提供了一个灵活的框架来构建各种复杂的锁和同步器，适用于需要更精细控制同步状态的场景。

CAS实现类

Java中常见的CAS实现类主要包括以下几个：

AtomicInteger：
- AtomicInteger类提供了一个支持原子操作的整型变量。它包含了一系列的方法，如incrementAndGet(), decrementAndGet(), addAndGet(int delta), getAndSet(int newValue)以及核心的compareAndSet(int expect, int update)，这些方法都利用了CAS操作来确保原子性。
AtomicLong：
- 与AtomicInteger类似，AtomicLong为长整型（long）数值提供了原子操作。它也包含了如incrementAndGet(), decrementAndGet(), addAndGet(long delta), getAndSet(long newValue)和compareAndSet(long expect, long update)等方法，适用于需要原子性操作长整型数值的场景。
AtomicReference：
- AtomicReference类提供了对对象引用的原子操作。通过这个类，你可以实现对象引用的原子更新。它提供了如compareAndSet(V expect, V update)等方法来确保对象引用的更新是原子的。
AtomicBoolean：
- AtomicBoolean类为布尔值提供了原子操作。它允许你以原子方式设置、获取和比较布尔值，常用方法有set(boolean newValue), get(), compareAndSet(boolean expect, boolean update)等。
AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference：
- 这两个类解决了CAS操作中的ABA问题。AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference分别通过版本戳和标记来确保值在被其他线程修改后，CAS操作能够识别出来，从而避免错误地更新值。
AtomicIntegerFieldUpdater, AtomicLongFieldUpdater, AtomicReferenceFieldUpdater：
- 这些类提供了对指定类的指定字段进行原子更新的能力。它们允许你对某个类的实例中的某个字段进行原子性的更新操作，而无需对整个对象加锁。

这些类都位于java.util.concurrent.atomic包中，利用底层的Unsafe类或者直接利用硬件支持的CAS指令来实现原子操作，从而提供了高效且无锁的并发控制机制。

AQS实现类

在Java中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个用于构建锁和同步器的框架，许多同步类都是基于AQS来实现的。以下是一些Java中常见的基于AQS实现的类：

ReentrantLock：
- ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，它基于AQS实现。ReentrantLock提供了比synchronized更灵活的锁机制，包括定时锁等待、可中断的锁等待以及尝试锁等功能。
Semaphore：
- Semaphore（信号量）也是基于AQS实现的。它用于控制对多个共享资源的访问，可以设定允许同时访问共享资源的线程数量。
CountDownLatch：
- CountDownLatch是一个同步辅助类，它允许一个或多个线程等待直到在其他线程中进行的一组操作完成。这也是基于AQS实现的，通常用于确保某些初始化操作在所有其他操作之前完成。
CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的部分实现：
- 尽管CyclicBarrier的主要逻辑并非直接基于AQS，但它内部的计数器是通过AQS的同步状态（state）来实现的，用于控制多个线程的相互等待。
- CountDownLatch则直接使用AQS的state来表示计数，当计数减至零时，所有等待的线程将被释放。
ReadWriteLock 的实现类 ReentrantReadWriteLock：
- ReentrantReadWriteLock是读写锁的一个实现，它允许多个读线程并行执行，但只允许一个写线程执行。这个锁也是基于AQS实现的，通过AQS的state来表示读锁和写锁的持有情况。
StampedLock：
- StampedLock是Java 8中引入的一个新的读写锁，它提供了更复杂的读/写锁策略，包括乐观读锁和写锁。虽然其内部实现较为复杂，但也部分依赖于AQS的某些机制。

这些类都利用了AQS提供的同步状态管理、线程排队和阻塞/唤醒机制来实现各自的同步需求。AQS为这些同步类提供了一个强大且灵活的框架，使得实现复杂的同步逻辑变得更加容易和高效。

收录于合集・并发编程 4

Thread类 Java中的原子操作类