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什么是 CAS
CAS(compare and swap), 字面意思比拟并替换, 是解决多线程并行状况下应用锁造成性能损耗的一种机制.
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
CAS有三个操作数,valueOffset内存值,expect期望值,update要更新的值。如果内存值 (valueOffset) 和期望值 (expect) 是一样的。那么处理器会将该地位的值更新为(update), 否则不做任何操作。CAS 无效地阐明了“我认为地位
valueOffset应该蕴含值expect，如果蕴含该值，则将update放到这个地位；否则，不要更改该地位，只通知我这个地位当初的值即可。”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 包下的大量类都应用了这个 Unsafe 类的 CAS 操作
CAS 的利用
java.util.concurrent.atomic包下的类大多数是应用CAS实现的, 如AtomicInteger,AtomicBoolean和AtomicLong等。
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
// 省略了局部代码...
// 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() {}
// 获取以后值
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) {
/**
* 这里应用 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相似乐观锁和乐观锁的关系
* */
for (;;) {int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
}
// 原子的设置新值为 update, expect 为冀望的以后的值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// 获取以后值 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;
}
}
// 此处省略局部代码，余下的代码大抵实现原理都是相似的
}
个别，在竞争不是特地强烈的时候，应用该包下的原子操作性能比应用 synchronized 关键字的形式高效的多。通过查看 getAndSet()办法，可知如果资源竞争十分激烈的话，这个 for 循环可能会继续很久都不能胜利跳出。在这种状况下，咱们可能须要思考如何升高对资源的竞争。在较多的场景下，咱们可能会应用到这些原子类操作。一个典型利用就是计数，在多线程的状况下须要思考线程平安问题。
// 有线程平安问题
public class Counter {
private int count;
public Counter(){}
public int getCount(){return count;}
public void increase(){count++;}
}
// 乐观锁, 线程平安, 毛病性能差
public class Counter {
private int count;
public Counter(){}
public synchronized int getCount(){return count;}
public synchronized void increase(){count++;}
}
这是乐观锁的实现，如果咱们须要获取这个资源，那么咱们就给它加锁，其余线程都无法访问该资源，直到咱们操作完后开释对该资源的锁。咱们晓得，乐观锁的效率是不如乐观锁的，下面说了 atomic 包下的原子类的实现是乐观锁形式，因而其效率会比应用 synchronized 关键字更高一些，举荐应用这种形式。
// 乐观锁, 线程平安, 性能好
public class Counter {private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public Counter(){}
public int getCount(){return count.get();
}
public void increase(){count.getAndIncrement();
}
}
CAS 的三大毛病
ABA 问题
因为 CAS 须要在操作值的时候查看下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，然而如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 A，那么应用 CAS 进行查看时会发现它的值没有发生变化，然而实际上却变动了。ABA 问题的解决思路就是应用版本号，在变量后面追加上版本号，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 办法作用是首先查看以后援用是否等于预期援用，并且以后标记是否等于预期标记，如果全副相等，则以原子形式将该援用和该标记的值设置为给定的更新值。
循环工夫长开销大
CAS 自旋如果长时间不胜利，会给 CPU 带来十分大的执行开销。如果 JVM 能反对处理器提供的 pause 指令那么效率会有肯定的晋升，pause 指令有两个作用，一是它能够提早流水线执行指令，使 CPU 不会耗费过多的执行资源，提早的工夫取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；二是它能够防止在退出循环的时候因内存程序抵触而引起 CPU 流水线被清空，从而进步 CPU 的执行效率。
只能保障一个共享变量的原子操作
当对一个共享变量执行操作时，咱们能够应用循环 CAS 的形式来保障原子操作，然而对多个共享变量操作时，循环 CAS 就无奈保障操作的原子性，这个时候就须要用锁，或者有一个取巧的方法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比方有两个共享变量 i=2,j=a，合并一下 ij=2a，而后用 CAS 来操作 ij。从 Java 1.5 开始 JDK 提供了 AtomicReference 类来保障援用对象之间的原子性，咱们能够把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。
什么是 AQS
AQS(AbstractQueuedSychronizer), 形象队列同步器, 是JDK下提供的一套给予FIFO期待队列的阻塞锁和相干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值来示意状态的同步器的基类。如果咱们看过相似 CountDownLatch 类的源码实现，会发现其外部有一个继承了 AbstractQueuedSynchronizer 的外部类 Sync。可见 CountDownLatch 是基于 AQS 框架来实现的一个同步器，相似的同步器在 JUC 下还有不少，如 Semaphore 等。
AQS 的利用
QS 治理一个对于状态信息的繁多整数，该整数能够体现任何状态。比方，Semaphore 用它来体现残余的许可数，ReentrantLock 用它来体现领有它的线程曾经申请了多少次锁；FutureTask 用它来体现工作的状态等。
如 JDK 的文档中所说，应用 AQS 来实现一个同步器须要笼罩实现如下几个办法，并且应用
getState、setState和compareAndSetState这三个办法来操作状态。
boolean tryAcquire(int arg)
boolean tryRelease(int arg)
int tryAcquireShared(int arg)
boolean tryReleaseShared(int arg)
boolean isHeldExclusively()
以上办法不须要全副实现，依据获取的锁的品种能够抉择实现不同的办法，反对独占（排他）获取锁的同步器应该实现 tryAcquire、tryRelease、isHeldExclusively；而反对共享获取的同步器应该实现 tryAcquireShared、tryReleaseShared、isHeldExclusively。上面以 CountDownLatch 举例说明基于 AQS 实现同步器，CountDownLatch 用同步状态持有以后计数，countDown 办法调用 release 从而导致计数器递加；当计数器为 0 时，解除所有线程的期待；await 调用 acquire，如果计数器为 0，acquire 会立刻返回，否则阻塞。通常用于某工作须要期待其余工作都实现后能力继续执行的情景
public class CountDownLatch {
/**
* 基于 AQS 的外部 Sync
* 应用 AQS 的 state 来示意计数 count.
*/
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
Sync(int count) {// 应用 AQS 的 getState()办法设置状态
setState(count);
}
int getCount() {// 应用 AQS 的 getState()办法获取状态
return getState();}
// 笼罩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 来示意是否胜利，为 0 的时候能够获取到返回 1，否则不能够返回 -1
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
// 笼罩在共享模式下尝试开释锁
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 在 for 循环中 Decrement count 直至胜利;
// 当状态值即 count 为 0 的时候，返回 false 示意 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;
// 应用给定计数值结构 CountDownLatch
public CountDownLatch(int count) {if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}
// 让以后线程阻塞直到计数 count 变为 0，或者线程被中断
public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 阻塞以后线程，除非 count 变为 0 或者期待了 timeout 的工夫。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 递加
public void countDown() {sync.releaseShared(1);
}
// 获取以后 count 值
public long getCount() {return sync.getCount();
}
public String toString() {return super.toString() + "[Count =" + sync.getCount() + "]";
}
}
AQS 原理
AQS 的实现次要在于保护一个 volatile int state（代表共享资源）和一个 FIFO 线程期待队列（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，蕴含线程根本信息，状态，期待的资源类型等。
CLH 构造如下
* +------+ prev +-----+ +-----+
* head | | <---- | | <---- | | tail
* +------+ +-----+ +-----+
简略源码剖析
public final void acquire(int arg) {
// 首先尝试获取, 不胜利的话则将其退出到期待队列，再 for 循环获取
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();}
// 从 clh 当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，就能够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，则将以后节点设置为头节点 head
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 如果获取失败的话，判断是否能够劳动，能够的话就进入 waiting 状态，直到被 unpark()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private Node addWaiter(Node mode) {
// 封装以后线程和模式为新的节点, 并将其退出到队列中
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，阐明还没初始化，此时需进行初始化工作
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 否则的话，将以后线程节点作为 tail 节点退出到 CLH 中去
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
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