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JAVA并发编程: CAS和AQS

發布時間：2024/1/17 编程问答 36 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 JAVA并发编程: CAS和AQS 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

說起JAVA并發編程，就不得不聊聊CAS(Compare And Swap)和AQS了(AbstractQueuedSynchronizer)。

CAS(Compare And Swap)

什么是CAS

CAS(Compare And Swap)，即比較并交換。是解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制，CAS操作包含三個操作數——內存位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。如果內存位置的值與預期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說明了“我認為位置V應該包含值A；如果包含該值，則將B放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。

在JAVA中，sun.misc.Unsafe?類提供了硬件級別的原子操作來實現這個CAS。?java.util.concurrent?包下的大量類都使用了這個?Unsafe.java?類的CAS操作。至于?Unsafe.java?的具體實現這里就不討論了。

CAS典型應用

java.util.concurrent.atomic?包下的類大多是使用CAS操作來實現的(eg.?AtomicInteger.java,AtomicBoolean,AtomicLong)。下面以?AtomicInteger.java?的部分實現來大致講解下這些原子類的實現。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updatesprivate static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private volatile int value;// 初始int大小// 省略了部分代碼...// 帶參數構造函數，可設置初始int大小public AtomicInteger(int initialValue) {value = initialValue;}// 不帶參數構造函數,初始int大小為0public AtomicInteger() {}// 獲取當前值public final int get() {return value;}// 設置值為 newValuepublic final void set(int newValue) {value = newValue;}//返回舊值，并設置新值為　newValuepublic final int getAndSet(int newValue) {/*** 這里使用for循環不斷通過CAS操作來設置新值* CAS實現和加鎖實現的關系有點類似樂觀鎖和悲觀鎖的關系* */for (;;) {int current = get();if (compareAndSet(current, newValue))return current;}}// 原子的設置新值為update, expect為期望的當前的值public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}// 獲取當前值current，并設置新值為current+1public final int getAndIncrement() {for (;;) {int current = get();int next = current + 1;if (compareAndSet(current, next))return current;}}// 此處省略部分代碼，余下的代碼大致實現原理都是類似的 }

一般來說在競爭不是特別激烈的時候，使用該包下的原子操作性能比使用?synchronized?關鍵字的方式高效的多(查看getAndSet()，可知如果資源競爭十分激烈的話，這個for循環可能換持續很久都不能成功跳出。不過這種情況可能需要考慮降低資源競爭才是)。?
在較多的場景我們都可能會使用到這些原子類操作。一個典型應用就是計數了，在多線程的情況下需要考慮線程安全問題。通常第一映像可能就是:

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

上面這個類在多線程環境下會有線程安全問題，要解決這個問題最簡單的方式可能就是通過加鎖的方式,調整如下:

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

這類似于悲觀鎖的實現，我需要獲取這個資源，那么我就給他加鎖，別的線程都無法訪問該資源，直到我操作完后釋放對該資源的鎖。我們知道，悲觀鎖的效率是不如樂觀鎖的，上面說了Atomic下的原子類的實現是類似樂觀鎖的，效率會比使用?synchronized?關系字高，推薦使用這種方式，實現如下:

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

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

什么是AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，AQS是JDK下提供的一套用于實現基于FIFO等待隊列的阻塞鎖和相關的同步器的一個同步框架。這個抽象類被設計為作為一些可用原子int值來表示狀態的同步器的基類。如果你有看過類似?CountDownLatch?類的源碼實現，會發現其內部有一個繼承了?AbstractQueuedSynchronizer?的內部類?Sync?。可見?CountDownLatch?是基于AQS框架來實現的一個同步器.類似的同步器在JUC下還有不少。(eg.?Semaphore?)

AQS用法

如上所述，AQS管理一個關于狀態信息的單一整數，該整數可以表現任何狀態。比如，?Semaphore?用它來表現剩余的許可數，ReentrantLock?用它來表現擁有它的線程已經請求了多少次鎖；FutureTask?用它來表現任務的狀態(尚未開始、運行、完成和取消)

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的文檔中所說，使用AQS來實現一個同步器需要覆蓋實現如下幾個方法，并且使用getState,setState,compareAndSetState這幾個方法來設置獲取狀態?
1.?boolean tryAcquire(int arg)?
2.?boolean tryRelease(int arg)?
3.?int tryAcquireShared(int arg)?
4.?boolean tryReleaseShared(int arg)?
5.?boolean isHeldExclusively()

以上方法不需要全部實現，根據獲取的鎖的種類可以選擇實現不同的方法，支持獨占(排他)獲取鎖的同步器應該實現tryAcquire、?tryRelease、isHeldExclusively而支持共享獲取的同步器應該實現tryAcquireShared、tryReleaseShared、isHeldExclusively。下面以?CountDownLatch?舉例說明基于AQS實現同步器,?CountDownLatch?用同步狀態持有當前計數，countDown方法調用 release從而導致計數器遞減；當計數器為0時，解除所有線程的等待；await調用acquire，如果計數器為0，acquire?會立即返回，否則阻塞。通常用于某任務需要等待其他任務都完成后才能繼續執行的情景。源碼如下:

public class CountDownLatch {/*** 基于AQS的內部Sync* 使用AQS的state來表示計數count.*/private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;Sync(int count) {// 使用AQS的getState()方法設置狀態setState(count);}int getCount() {// 使用AQS的getState()方法獲取狀態return getState();}// 覆蓋在共享模式下嘗試獲取鎖protected int tryAcquireShared(int acquires) {// 這里用狀態state是否為0來表示是否成功，為0的時候可以獲取到返回1，否則不可以返回-1return (getState() == 0) ? 1 : -1;}// 覆蓋在共享模式下嘗試釋放鎖protected boolean tryReleaseShared(int releases) {// 在for循環中Decrement count直至成功;// 當狀態值即count為0的時候，返回false表示 signal when transition to zerofor (;;) {int c = getState();if (c == 0)return false;int nextc = c-1;if (compareAndSetState(c, nextc))return nextc == 0;}}}private final Sync sync;// 使用給定計數值構造CountDownLatchpublic CountDownLatch(int count) {if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");this.sync = new Sync(count);}// 讓當前線程阻塞直到計數count變為0，或者線程被中斷public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);}// 阻塞當前線程，除非count變為0或者等待了timeout的時間。當count變為0時，返回truepublic boolean await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));}// count遞減public void countDown() {sync.releaseShared(1);}// 獲取當前count值public long getCount() {return sync.getCount();}public String toString() {return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";} }

本文大致就講了這些東西，有些地方說的也不是特別好。也有不全的地方，AQS的東西還是有不少的，建議大家自己去看JUC下的各個類的實現，配合《JAVA并發編程實戰》這本書，相信是可以看明白的，從而得到更深刻的理解。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的JAVA并发编程: CAS和AQS的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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