CAS、AQS详谈

╰半夏微凉° 2022-04-22 09:32 210阅读 0赞

作者[https://blog.csdn.net/u010862794/article/details/72892300][https_blog.csdn.net_u010862794_article_details_72892300]

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## CAS(Compare And Swap) ##

### 什么是CAS ###

> CAS(Compare And Swap)，即比较并交换。是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

在JAVA中，`sun.misc.Unsafe` 类提供了硬件级别的原子操作来实现这个CAS。 `java.util.concurrent` 包下的大量类都使用了这个 `Unsafe.java` 类的CAS操作。至于 `Unsafe.java` 的具体实现这里就不讨论了。

### 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。

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
        // 省略了部分代码...
    
        // 带参数构造函数，可设置初始int大小
        public AtomicInteger(int initialValue) {
            value = initialValue;
        }
        // 不带参数构造函数,初始int大小为0
        public AtomicInteger() {
        }
    
        // 获取当前值
        public final int get() {
            return value;
        }
    
        // 设置值为 newValue
        public final void set(int newValue) {
            value = newValue;
        }
    
        //返回旧值，并设置新值为　newValue
        public final int getAndSet(int newValue) {
            /** * 这里使用for循环不断通过CAS操作来设置新值 * CAS实现和加锁实现的关系有点类似乐观锁和悲观锁的关系 * */
            for (;;) {
                int current = get();
                if (compareAndSet(current, newValue))
                    return current;
            }
        }
    
        // 原子的设置新值为update, expect为期望的当前的值
        public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
        }
    
        // 获取当前值current，并设置新值为current+1
        public final int getAndIncrement() {
            for (;;) {
                int current = get();
                int next = current + 1;
                if (compareAndSet(current, next))
                    return current;
            }
        }
    
        // 此处省略部分代码，余下的代码大致实现原理都是类似的
    }
    
     
      
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一般来说在竞争不是特别激烈的时候，使用该包下的原子操作性能比使用 `synchronized` 关键字的方式高效的多(查看`getAndSet()`，可知如果资源竞争十分激烈的话，这个for循环可能换持续很久都不能成功跳出。不过这种情况可能需要考虑降低资源竞争才是)。  
在较多的场景我们都可能会使用到这些原子类操作。一个典型应用就是计数了，在多线程的情况下需要考虑线程安全问题。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++;
        }
    }
     
      
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上面这个类在多线程环境下会有线程安全问题，要解决这个问题最简单的方式可能就是通过加锁的方式,调整如下:

public class Counter { 
        private int count;
        public Counter(){}
        public synchronized int getCount(){
            return count;
        }
        public synchronized void increase(){
            count++;
        }
    }
     
      
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这类似于悲观锁的实现，我需要获取这个资源，那么我就给他加锁，别的线程都无法访问该资源，直到我操作完后释放对该资源的锁。我们知道，悲观锁的效率是不如乐观锁的，上面说了Atomic下的原子类的实现是类似乐观锁的，效率会比使用 `synchronized` 关系字高，推荐使用这种方式，实现如下:

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

### 什么是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用法 ###

如上所述，AQS管理一个关于状态信息的单一整数，该整数可以表现任何状态。比如， `Semaphore` 用它来表现剩余的许可数，`ReentrantLock` 用它来表现拥有它的线程已经请求了多少次锁；`FutureTask` 用它来表现任务的状态(尚未开始、运行、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>
     
      
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如JDK的文档中所说，使用AQS来实现一个同步器需要覆盖实现如下几个方法，并且使用`getState`,`setState`,`compareAndSetState`这几个方法来设置获取状态  
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实现，根据获取的锁的种类可以选择实现不同的方法，支持独占(排他)获取锁的同步器应该实现`tryAcquire`、 `tryRelease`、`isHeldExclusively`而支持共享获取的同步器应该实现`tryAcquireShared`、`tryReleaseShared`、`isHeldExclusively`。下面以 `CountDownLatch` 举例说明基于AQS实现同步器, `CountDownLatch` 用同步状态持有当前计数，`countDown`方法调用 release从而导致计数器递减；当计数器为0时，解除所有线程的等待；`await`调用acquire，如果计数器为0，`acquire` 会立即返回，否则阻塞。通常用于某任务需要等待其他任务都完成后才能继续执行的情景。源码如下:

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() + "]";
        }
    }
    
     
      
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本文大致就讲了这些东西，有些地方说的也不是特别好。也有不全的地方，AQS的东西还是有不少的，建议大家自己去看JUC下的各个类的实现，配合《JAVA并发编程实战》这本书，相信是可以看明白的，从而得到更深刻的理解。

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