CAS和AQS一文搞懂

Posted 2022-12-05 JF Coder

JAVA多线程，面试官喜欢问的东西

一些概念的东西

原子性就是指该操作是不可再分的。不论是多核还是单核，具有原子性的量，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。简而言之，在整个操作过程中不会被线程调度器中断的操作，都可认为是原子性。比如 a = 1；

非原子性：也就是整个过程中会出现线程调度器中断操作的现象
类似"a ++"这样的操作不具有原子性，因为它可能要经过以下两个步骤：

（1）取出 a 的值

（2）计算 a+1

如果有两个线程t1，t2在进行这样的操作。t1在第一步做完之后还没来得及加1操作就被线程调度器中断了，于是t2开始执行，t2执行完毕后t1开始执行第二步(此时t1中a的值可能还是旧值，不是一定的，只有线程t2中a的值没有及时更新到t1中才会出现)。这个时候就出现了错误，t2的操作相当于被忽略了

JAVA的线程调度—抢占式调度(优先级)

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CAS—(Compare And Swap)比较并交换

采用乐观锁思想—总是认为自己可以完成操作

在多个线程操作一个变量时，只有一个线程会成功更新，其他失败，失败线程允许重试

CAS自旋等待

用锁或 synchronized 关键字可以实现原子操作，那么为什么还要用 CAS 呢，因为加锁或使用 synchronized 关键字带来的性能损耗较大，而用 CAS 可以实现乐观锁，它实际上是直接利用了 CPU 层面的指令，所以性能很高。

那么CAS 是怎么样实现自旋锁，CAS 利用 CPU 指令保证了操作的原子性，以达到锁的效果，至于自旋，一般是用一个无限循环实现。这样一来，一个无限循环中，执行一个 CAS 操作，当操作成功，返回 true 时，循环结束；当返回 false 时，接着执行循环，继续尝试 CAS 操作，直到返回 true。

进入CAS源码看

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

以原子方式将值设置为给定的更新值(update)，如果当前值等于期望值(expect)。 返回ture，更新变量的值，实际值不等于期望值返回false，线程什么都不做，CAS返回当前变量值；

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    

进去unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);它是个 native方法，用 c++ 实现，有兴趣的可以去看看JDK源代码中safe.cpp文件，所以CAS直接跟操作系统进行操作的；

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

CAS产生的ABA问题

什么是ABA？

上面我可以知道，CAS算法实现有一个重要的前提：需要取出内存中某一时刻的数据，然后在下一时刻进行比较，替换，在这个时间差，数据可能已经发生变化，这就导致了ABA问题；

解决方法：部分是通过加版本号(version)来解决，

AQS是一个抽象的队列同步器

AQS维护了一个volatile语义(支持多线程下的可见性)的共享资源变量state和一个FIFO线程等待队列(多线程竞争state被阻塞时会进入此队列)。java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 抽象类，简称 AQS

AQS共享资源的方式：独占式和共享式

AQS默认提供了独占式和共享式两种模式，JDK对应的实现有ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock

独占式：只有一个线程能执行，具体的JAVA实现有ReentrantLock

共享式：多个线程同时执行

AQS 是基于 volitale 和 CAS 实现的，其中 AQS 中维护一个 valitale 类型的变量 state
来做一个可重入锁的重入次数，加锁和释放锁也是围绕这个变量来进行的。

推荐AQS解析

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