浅谈并发：CAS & AQS

前言

这篇文章躺在草稿里 6 个月了，最近才发现 2333，于是翻出来补全了下。

CAS

**CAS（Compare-and-Swap 比较和替换）**故名思意就是先比较然后替换的操作方式，是原子操作中的一种，同时也是无锁操作中的一种。在 Java 中广泛使用，常见的如 AQS 的更新状态、CopyOnWriteArrayList。

通常情况下，我们操作某个共享资源，为了防止其他进程的干扰，我们通常会给这个共享资源加上一把锁，然而加锁，释放锁，竞争锁，线程的阻塞和唤醒是非常耗能的操作。而 CAS 采用的是记录内存位置和原始值，当记录的原始值与当前内存位置的值（当前值）相同的时候，就将新值更新到内存。如果不同说明在这过程中有其他线程干扰，执行失败策略。由于是无锁的操作，所以便没有了加锁和释放锁间一系列的额外开销，所以非常快。

流程

在进行 CAS 操作前需要三个操作参数：

• 内存位置 V（它的值是我们想要去更新的）
• 预期原值 A（上一次从内存中读取的值）
• 新值 B（应该写入的新值）

操作过程：

先从 V 中取值，与 A 比较，如果相等则将 V 中的值更新成 B，如果不相等，说明 V 上的值被修改过了，也就是其他线程干扰了，这时候就不更新，进入失败的操作流程，比如重试，报错等。

缺点

当然如果 CAS 真的这么好用的话 Java 中早就放弃锁了。CAS 虽然很高效的解决原子操作，但是 CAS 仍然存在三大问题，同时也有使用场景的限制。

ABA 问题

原因：由于 CAS 是通过比较来判断是否进行更新操作，如果一个值从 A 变成 B，然后又被改成 A，在 CAS 检查时会认为值是没变的，实际上是变化了。

解决方法：为每次操作都加上版本号，如果版本号有变，即使值没变也说明是有变化的。

循环时间长开销大

原因：如果自旋长时间不成功，则会给 CPU 带来很大的执行开销。

解决方法：利用 pause 指令提升自旋性能。

只能保证一个值的原子操作

原因：如果有多个值需要同时操作，那么用 CAS 就无法简单解决了。

解决方案：可以对值进行合并，比如封装成一个对象等等。

使用场景限制

从 CAS 流程中我们可以看到，为了记录原始值，我们需要复制一份值，而这复制过程消耗的性能在少量的情况下并不明显，相比于锁更优。然而如果大量的执行 CAS 操作，或者操作的内容是比较庞大的，那么这些性能损耗就不能忽视了，较为极端的情况下甚至比锁还要差上很多。

AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer 抽象排队同步器），是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能方便的构建出不同使用场景的同步器，常见的如 ReentrantLock、CountDownLatch。AQS 采用模板方法模式，实现大量通用方法，子类通过继承方式实现其抽象方法来管理同步状态。

流程

当某个线程从 AQS 获取共享资源的时候，如果被请求的共享资源空闲，那么就将该线程设置为工作线程，然后锁定共享资源。如果被请求的共享资源被占用，那么就将线程加入 CLH 队列中，同时阻塞线程，进行排队等待。

CLH 队列

CLH 队列是一个虚拟的 FIFO 的双向队列。头节点是一个获取同步状态成功的节点。线程通过 AQS 获取锁失败，就会将线程封装成一个 Node 节点，插入队列尾。当有线程释放锁时，后唤醒头节点的 next 节点（第二个节点）尝试占用锁。

同步状态

在 AQS 中有一个 state 字段用于表示同步状态，使用了 volatile 关键字修饰，实现类可以通过 CAS 方式来更新同步状态。

资源共享模式

AQS 有两种资源共享模式：

• 独占（Exclusive）：即同一时间内只有一个线程能够获取共享资源。常见的实现如 ReentrantLock。
• 共享（Share）：即一个共享资源可被多个线程同时使用。常见的实现如 CountDownLatch。

AQS 为这两种资源共享模式提供了两组不同的方法，如独占式的 acquire、release，共享式的 acquireShared、releaseShared。按场景重写不同模式的方法即可实现不同的资源共享模式。当然也可以同时使用，比如 ReentrantReadWriteLock 就实现了独占和共享两种模式。

阻塞与唤醒

当有线程获取到共享资源了，其他线程获取时需要阻塞，当线程释放共享资源后，AQS 会负责唤醒在排队的线程。

AQS 通过 LockSupport 是用来创建锁和其他同步类的线程阻塞工具类，可以让线程在任意位置阻塞。每个使用 LockSupport 的线程都会与一个许可关联，如果该许可可用，则调用 park() 方法将会立即返回（加锁），否则会阻塞。如果许可尚不可用，则可以调用 unpark 使其可用（释放锁）。类似于 Object 类的 wait 和 notify。

结语

ReentrantLock 相关的东西就暂时不再这篇文章写了，打算放到下一篇。