浅谈 Java 并发编程中 CAS 以及 AQS 的实现原理

女爷i 2023-09-26 10:56 88阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  CAS
    
     *  什么是 CAS?
     *  CAS 的应用
     *  CAS 的缺点
 *  AQS
    
     *  什么是 AQS？
     *  AQS 的应用
     *  AQS 实现原理浅析

### CAS ###

#### 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类的 CAS 操作。

#### CAS 的应用 ####

`java.util.concurrent.atomic`包下的类大多是使用 CAS 操作来实现的，如`AtomicInteger`、`AtomicBoolean`和`AtomicLong`等。下面以`AtomicInteger`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
    }

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。通过查看`getAndSet()`方法，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。

在这种情况下，我们可能需要考虑如何降低对资源的竞争。在较多的场景下，我们可能会使用到这些原子类操作。一个典型应用就是计数，在多线程的情况下需要考虑线程安全问题，示例代码如下：

public class Counter {
        private int count;
        public Counter(){}
        public int getCount(){
            return count;
        }
        public void increase(){
            count++;
        }
    }

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加锁，优化代码如下：

public class Counter {
        private int count;
        public Counter(){}
        public synchronized int getCount(){
            return count;
        }
        public synchronized void increase(){
            count++;
        }
    }

这是悲观锁的实现，如果我们需要获取这个资源，那么我们就给它加锁，其他线程都无法访问该资源，直到我们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包下的原子类的实现是乐观锁方式，因此其效率会比使用`synchronized`关键字更高一些，推荐使用这种方式，代码如下：

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

#### CAS 的缺点 ####

CAS 虽然能够很高效的实现原子操作，但是 CAS 仍然存在三大问题。

ABA 问题

因为 CAS 需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用 CAS 进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA 问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么`A－B－A`就会变成`1A-2B－3A`。

从 Java 1.5 开始 JDK 的atomic包里提供了一个类`AtomicStampedReference`来解决 ABA 问题。这个类的`compareAndSet`方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

循环时间长开销大

CAS 自旋如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。如果 JVM 能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，一是它可以延迟流水线执行指令，使 CPU 不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；二是它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候就需要用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

比如有两个共享变量`i＝2`,`j=a`，合并一下`ij=2a`，然后用 CAS 来操作ij。从 Java 1.5 开始 JDK 提供了`AtomicReference`类来保证引用对象之间的原子性，我们可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。

### AQS ###

#### 什么是 AQS？ ####

AQS（`AbstractQueuedSynchronizer`），即抽象队列同步器，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。

如果我们看过类似`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，如`Semaphore`等。

#### AQS 的应用 ####

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等。

/* 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>
     * /

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`和`compareAndSetState`这三个方法来操作状态。

boolean tryAcquire(int arg)
    boolean tryRelease(int arg)
    int tryAcquireShared(int arg)
    boolean tryReleaseShared(int arg)
    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`。另外，搜索公众号顶级python后台回复“进阶”，获取一份惊喜礼包。

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() + "]";
        }
    }

#### AQS 实现原理浅析 ####

AQS 的实现主要在于维护一个`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，此队列称之为CLH队列）。CLH 队列中的每个节点是对线程的一个封装，包含线程基本信息，状态，等待的资源类型等。另外，搜索公众号Java就该这么学后台回复“代码生成器”，获取一份惊喜礼包。

CLH结构如下:

*      +------+  prev +-----+       +-----+
     * head |      | <---- |     | <---- |     |  tail
     *      +------+       +-----+       +-----+

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下面简单看下获取资源的代码:

public final void acquire(int arg) {
            // 首先尝试获取,不成功的话则将其加入到等待队列，再for循环获取
            if (!tryAcquire(arg) &&
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
        }
        
        // 从clh中选一个线程获取占用资源
        final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            boolean failed = true;
            try {
                boolean interrupted = false;
                for (;;) {
                    // 当节点的先驱是head的时候，就可以尝试获取占用资源了tryAcquire
                    final Node p = node.predecessor();
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                        // 如果获取到资源，则将当前节点设置为头节点head
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // 如果获取失败的话，判断是否可以休息，可以的话就进入waiting状态，直到被unpark()
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }
      
       private Node addWaiter(Node mode) {
            // 封装当前线程和模式为新的节点,并将其加入到队列中
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
            Node pred = tail;
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            enq(node);
            return node;
        }  
        
        private Node enq(final Node node) {
            for (;;) {
                Node t = tail;
                if (t == null) { 
                    // tail为null，说明还没初始化，此时需进行初始化工作
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else {
                    // 否则的话，将当前线程节点作为tail节点加入到CLH中去
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }

参考资料：

*  ava并发编程——CAS
 *  ava并发之AQS详解
 *  AVA并发编程: CAS和AQS

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