CAS和AQS

一、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。

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
 }

二、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。

https://www.cnblogs.com/daydaynobug/p/6752837.html

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)

框架

　　它维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，在此不述。state的访问方式有三种:

• getState()
• setState()
• compareAndSetState()

　　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）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

　　不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

• 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。

　　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。

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() + "]";
     }
 }