JUC总结3

CAS

简介

CAS的全称是“比较并交换”，是一种无锁的原子操作，其体现了乐观所的思想，在无锁的情况下保证线程操作共享数据的原子性。

CAS一共有3个值：

1、V：要更新的值；

2、E：预期值；

3、N：新值。

在比较和交换的过程中，需要比较V与E是否相等，若相等，则将V设置为N；若不相等，则说明有其他线程对共享变量进行了更新，当前线程应放弃。若CAS失败，则继续尝试获取新值，直至更新成功。

CAS底层实现

CAS底层是通过Unsafe类来直接调用操作系统底层的CAS指令，Unsafe类中的方法都是native方法，由系统提供接口实现，Unsafe类对CAS实现是通过C++进行的。

CAS存在的问题

ABA问题

ABA问题是指一个位置原来是A，后面被改为B，再后来又被改为A，进行CAS操作的线程无法知道在该位置的值发生过改变。

可通过加入时间戳或版本号的方式，解决ABA问题，在进行CAS操作时，需要值和版本号（或时间戳）均匹配时才能进行修改操作。在Java中，AtomicStampedReference类就实现了这种机制，它会同时检查引用值和stamp是否都相等。

循环性能开销问题

CAS在进行自旋操作时，若一直不成功，则会给CPU代理巨大的开销，可通过限制自旋次数来解决这个问题。

只能保证一个变量的原子操作

CAS只能保证对一个变量进行原子操作，当存在多个变量时，CAS无法直接保证对他们的原子操作。可通过以下两种方式解决：

1、考虑改用锁实现原子操作；

2、合并多个变量，将多个变量封装成一个对象，通过AtomicReference来保证原子性。

volatile

volatile的主要作用

保证变量在线程间的可见性

当一个线程修改某个变量的值时，volatile关键字会将修改的值刷新到主存中，该新值就对其他线程可见，对于volatile修饰的关键字，禁止使用JIT（即时编译器）进行优化。

禁止指令重排序

使用volatile修饰的变量，会在读、写共享变量时加上屏障，阻止其他读写操作越过屏障对共享变量进行读写操作。

对于volatile的写操作，会在其前后加上屏障，其中在写操作前的屏障，禁止前面的普通读操作与该写操作重排；写操作后的屏障，禁止后面的volatile读写操作与该写操作重排序，如下图所示：

对于volatile的读操作，会在其后面加上屏障，禁止后面的普通读写操作与重排序，该屏障强制让本地内存中的变量值失效，从而重新从主内存中读取最新的值，如下图所示：

对于volatile的写操作前的操作，不会被编译器重排到该写操作后；对于volatile的读操作后的操作，不会被编译器重排到该写操作前。

AQS

AQS是阻塞式锁和相关同步工具的框架，中文名为抽象队列同步器，它是构建锁或其他同步组件的基础框架。其思想是，若被请求的资源空闲，则线程申请该资源成功，反之该线程则进入一个等待队列，其他线程释放该资源时，系统随机选择一个在等待队列中的线程，赋予其资源。

AQS是悲观锁，通过Java实现，其开启和释放都需要手动进行，其工作机制是：

同步状态state由volatile修饰，保证其他线程对其可见，同时采用一个FIFO双端队列存储线程，如下图所示：

当线程要获取锁时，会尝试改变state的状态，若state状态为0，则可将其改为1，该线程抢占锁成功。若线程强制锁失败，则线程进入FIFO队列中等待。

AQS通过CAS自旋锁保证线程的原子性，保证每次只能有一个线程修改state成功。

AQS既可实现公平锁，又可实现非公平锁。当新来的线程与队列中的线程共同强资源时，该锁为非公平锁（如AQS实现类ReentrantLock），新来的线程进入等待队列中等待，只允许队列中head线程占用资源时，该锁为公平锁。

ReentrantLock

概述

ReentrantLock是可重入锁，其可中断、可设置超时时间、可设置公平锁、支持多个条件变量、支持重入。ReentrantLock主要利用CAS+AQS实现的，通过new ReentrantLock()创建的锁默认为非公平锁，要将其设置为公平锁，则应该通过有参构造函数的方式创建，并将变量设置为true（该变量设置为false时实现的非公平锁），代码：

//实现公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

构造函数如下图：

NonfairSync、FairSync的父类为Sync，Sync的父类为AQS。

加锁

调用lock()方法可实现加锁，unlock()方法实现解锁。在公平锁的条件下，锁会授予给等待时间最长的线程，在非公平锁的条件下，其加锁的方式如下：

当线程调用lock()尝试获取锁时，首先通过CAS方式修改state变量，若成功将其修改为1，则让exclusiveOwnerThread线程指向这个线程，该线程获取锁成功。若修该失败，则线程获取锁失败，则线程进入等待队列中。当exclusiveOwnerThread为null时，则持有锁的线程释放了锁，则会唤醒双向队列中在head位置的线程，公平锁和非公平锁的情况见上述AQS介绍。

为了实现锁的可重入，ReentrantLock内部有一个计数器跟踪线程持有锁的次数，当线程首次获取锁时，计数器的值变为1，如果同一线程再次获取锁，计数器增加；每释放一次锁，计数器减 1。当线程调用unlock()方法时，ReentrantLock会将持有锁的计数减1，如果计数到达0，则释放锁，并唤醒等待队列中的线程来竞争锁。