CAS

簡介

CAS的全稱是“比較并交換”，是一種無鎖的原子操作，其體現了樂觀所的思想，在無鎖的情況下保證線程操作共享數據的原子性。

CAS一共有3個值：

1、V：要更新的值；

2、E：預期值；

3、N：新值。

在比較和交換的過程中，需要比較V與E是否相等，若相等，則將V設置為N；若不相等，則說明有其他線程對共享變量進行了更新，當前線程應放棄。若CAS失敗，則繼續嘗試獲取新值，直至更新成功。

CAS底層實現

CAS底層是通過Unsafe類來直接調用操作系統底層的CAS指令，Unsafe類中的方法都是native方法，由系統提供接口實現，Unsafe類對CAS實現是通過C++進行的。

CAS存在的問題

ABA問題

ABA問題是指一個位置原來是A，后面被改為B，再后來又被改為A，進行CAS操作的線程無法知道在該位置的值發生過改變。

可通過加入時間戳或版本號的方式，解決ABA問題，在進行CAS操作時，需要值和版本號（或時間戳）均匹配時才能進行修改操作。在Java中，AtomicStampedReference類就實現了這種機制，它會同時檢查引用值和stamp是否都相等。

循環性能開銷問題

CAS在進行自旋操作時，若一直不成功，則會給CPU代理巨大的開銷，可通過限制自旋次數來解決這個問題。

只能保證一個變量的原子操作

CAS只能保證對一個變量進行原子操作，當存在多個變量時，CAS無法直接保證對他們的原子操作。可通過以下兩種方式解決：

1、考慮改用鎖實現原子操作；

2、合并多個變量，將多個變量封裝成一個對象，通過AtomicReference來保證原子性。

volatile

volatile的主要作用

保證變量在線程間的可見性

當一個線程修改某個變量的值時，volatile關鍵字會將修改的值刷新到主存中，該新值就對其他線程可見，對于volatile修飾的關鍵字，禁止使用JIT（即時編譯器）進行優化。

禁止指令重排序

使用volatile修飾的變量，會在讀、寫共享變量時加上屏障，阻止其他讀寫操作越過屏障對共享變量進行讀寫操作。

對于volatile的寫操作，會在其前后加上屏障，其中在寫操作前的屏障，禁止前面的普通讀操作與該寫操作重排；寫操作后的屏障，禁止后面的volatile讀寫操作與該寫操作重排序，如下圖所示：

對于volatile的讀操作，會在其后面加上屏障，禁止后面的普通讀寫操作與重排序，該屏障強制讓本地內存中的變量值失效，從而重新從主內存中讀取最新的值，如下圖所示：

對于volatile的寫操作前的操作，不會被編譯器重排到該寫操作后；對于volatile的讀操作后的操作，不會被編譯器重排到該寫操作前。

AQS

AQS是阻塞式鎖和相關同步工具的框架，中文名為抽象隊列同步器，它是構建鎖或其他同步組件的基礎框架。其思想是，若被請求的資源空閑，則線程申請該資源成功，反之該線程則進入一個等待隊列，其他線程釋放該資源時，系統隨機選擇一個在等待隊列中的線程，賦予其資源。

AQS是悲觀鎖，通過Java實現，其開啟和釋放都需要手動進行，其工作機制是：

同步狀態state由volatile修飾，保證其他線程對其可見，同時采用一個FIFO雙端隊列存儲線程，如下圖所示：

當線程要獲取鎖時，會嘗試改變state的狀態，若state狀態為0，則可將其改為1，該線程搶占鎖成功。若線程強制鎖失敗，則線程進入FIFO隊列中等待。

AQS通過CAS自旋鎖保證線程的原子性，保證每次只能有一個線程修改state成功。

AQS既可實現公平鎖，又可實現非公平鎖。當新來的線程與隊列中的線程共同強資源時，該鎖為非公平鎖（如AQS實現類ReentrantLock），新來的線程進入等待隊列中等待，只允許隊列中head線程占用資源時，該鎖為公平鎖。

ReentrantLock

概述

ReentrantLock是可重入鎖，其可中斷、可設置超時時間、可設置公平鎖、支持多個條件變量、支持重入。ReentrantLock主要利用CAS+AQS實現的，通過new ReentrantLock()創建的鎖默認為非公平鎖，要將其設置為公平鎖，則應該通過有參構造函數的方式創建，并將變量設置為true（該變量設置為false時實現的非公平鎖），代碼：

//實現公平鎖
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

構造函數如下圖：

NonfairSync、FairSync的父類為Sync，Sync的父類為AQS。

加鎖

調用lock()方法可實現加鎖，unlock()方法實現解鎖。在公平鎖的條件下，鎖會授予給等待時間最長的線程，在非公平鎖的條件下，其加鎖的方式如下：

當線程調用lock()嘗試獲取鎖時，首先通過CAS方式修改state變量，若成功將其修改為1，則讓exclusiveOwnerThread線程指向這個線程，該線程獲取鎖成功。若修該失敗，則線程獲取鎖失敗，則線程進入等待隊列中。當exclusiveOwnerThread為null時，則持有鎖的線程釋放了鎖，則會喚醒雙向隊列中在head位置的線程，公平鎖和非公平鎖的情況見上述AQS介紹。

為了實現鎖的可重入，ReentrantLock內部有一個計數器跟蹤線程持有鎖的次數，當線程首次獲取鎖時，計數器的值變為1，如果同一線程再次獲取鎖，計數器增加；每釋放一次鎖，計數器減 1。當線程調用unlock()方法時，ReentrantLock會將持有鎖的計數減1，如果計數到達0，則釋放鎖，并喚醒等待隊列中的線程來競爭鎖。

Synchronized和Lock對比

1、Synchronized是關鍵字，源碼在JVM中，通過C++實現；而Lock是接口，源碼由JDK提供，通過Java實現；

2、使用Synchronized時，退出同步代碼塊會自動釋放鎖，而使用lock時，需要通過unlock()釋放；

3、兩種都是悲觀鎖，支持互斥、同步、鎖重入等功能；

4、相比于Synchronized，Lock支持獲取鎖狀態、設置公平鎖、可打斷、可超時等，同時支持ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock不同適合條件的實現；

5、在沒有競爭時，Synchronized做了如偏向鎖、輕量級鎖等優化，但在競爭激烈時，Lock的性能更好。