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Java CAS 与 AQS

news 来源：原创 2025/6/11 19:34:35

1. CAS

1.1 CAS 原理

CAS（Compare-And-Swap）即比较并交换，是一种无锁算法，用于实现多线程环境下的原子操作。它是一种乐观锁的实现方式，其核心思想是：假设数据在没有被其他线程修改的情况下进行操作，如果发现数据被修改了，则重新尝试操作，直到成功为止。

CAS 操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当且仅当内存位置 V 的值等于预期原值 A 时，才将该位置的值更新为新值 B；否则，不做任何操作。整个操作是原子性的，由硬件层面来保证。

在 Java 中，java.util.concurrent.atomic 包下的原子类就是基于 CAS 实现的，例如 AtomicInteger、AtomicLong 等。

1.2 使用示例

使用 AtomicInteger 进行自增操作

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASAtomicIntegerExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 AtomicInteger 对象，初始值为 0
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

        // 创建两个线程，每个线程对 atomicInteger 进行 1000 次自增操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                atomicInteger.incrementAndGet();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                atomicInteger.incrementAndGet();
            }
        });

        // 启动线程
        t1.start();
        t2.start();

        try {
            // 等待两个线程执行完毕
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出最终结果
        System.out.println("Final value: " + atomicInteger.get());
    }
}

解释：

AtomicInteger 是 Java 提供的一个原子整数类，它内部使用 CAS 机制来保证对整数的操作是原子的。
incrementAndGet() 方法会原子地将 AtomicInteger 的值加 1，并返回加 1 后的值。
在多线程环境下，多个线程可以同时调用 incrementAndGet() 方法，而不会出现数据不一致的问题。

1.3 CAS 的局限性

ABA 问题：CAS 操作只关注值是否相等，而不关心值的变化过程。如果一个值从 A 变为 B，再从 B 变回 A，CAS 操作会认为值没有发生变化，从而继续进行更新操作。可以使用 AtomicStampedReference 或 AtomicMarkableReference 来解决 ABA 问题。
循环时间长开销大：如果 CAS 操作长时间不成功，会导致线程不断地进行自旋，从而消耗大量的 CPU 资源。
只能保证一个共享变量的原子操作：CAS 只能保证对一个共享变量的原子操作，如果需要对多个共享变量进行原子操作，需要使用锁或其他同步机制。

2. AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包（java.util.concurrent）中用于构建锁和同步器的基础框架。许多 Java 并发工具类，如 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore 等都是基于 AQS 实现的。

1.1 核心组成部分

同步状态（state）：一个 int 类型的变量，用于表示同步状态。不同的同步器可以根据这个状态来实现不同的同步逻辑。例如，在 ReentrantLock 中，state 为 0 表示锁未被持有，大于 0 表示锁已经被持有，并且数值表示重入的次数。
队列（CLH 队列的变种）：一个双向链表，用于管理那些获取同步状态失败的线程。当一个线程尝试获取同步状态失败时，会被封装成一个节点加入到队列的尾部，进入等待状态。当持有同步状态的线程释放状态后，会从队列的头部唤醒一个等待线程。
CAS（Compare-And-Swap）操作：用于保证对 state 变量的原子性修改。CAS 操作是一种无锁算法，通过比较内存中的值和预期值是否相等，如果相等则将内存中的值更新为新值。

1.2 工作流程

获取同步状态：线程尝试通过 tryAcquire 方法获取同步状态，如果获取成功，则继续执行；如果获取失败，则将该线程封装成节点加入到等待队列中，并进入阻塞状态。
释放同步状态：线程通过 tryRelease 方法释放同步状态，释放成功后，会从队列的头部唤醒一个等待线程。
队列管理：当有新的线程获取同步状态失败时，会将其封装成节点加入到队列的尾部；当持有同步状态的线程释放状态后，会从队列的头部唤醒一个等待线程。

1.3 自定义同步器示例

通过一个自定义同步器来演示 AQS 的使用，实现一个简单的独占锁。

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

// 自定义同步器
class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 尝试获取锁
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        // 使用 CAS 操作尝试将状态从 0 变为 1
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            // 设置当前线程为独占线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 尝试释放锁
    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        // 检查当前线程是否为独占线程
        if (getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()) {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
        // 将状态设置为 0
        setState(0);
        // 清除独占线程
        setExclusiveOwnerThread(null);
        return true;
    }

    // 判断是否处于锁定状态
    @Override
    protected boolean isHeldExclusively() {
        return getState() == 1;
    }
}

// 自定义独占锁
class MyLock {
    private final MySync sync = new MySync();

    // 加锁
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    // 解锁
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    // 判断是否锁定
    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
}

// 测试类
public class AQSExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyLock lock = new MyLock();

        // 线程 1 尝试获取锁
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 1 acquired the lock.");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println("Thread 1 released the lock.");
            }
        });

        // 线程 2 尝试获取锁
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 2 acquired the lock.");
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println("Thread 2 released the lock.");
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

解释

MySync 类：继承自 AbstractQueuedSynchronizer，并重写了 tryAcquire、tryRelease 和 isHeldExclusively 方法。
- tryAcquire：尝试获取锁，使用 CAS 操作将状态从 0 变为 1，如果成功则将当前线程设置为独占线程。
- tryRelease：尝试释放锁，检查当前线程是否为独占线程，如果是则将状态设置为 0，并清除独占线程。
- isHeldExclusively：判断当前是否处于锁定状态。
MyLock 类：封装了 MySync 对象，提供了 lock、unlock 和 isLocked 方法。
- lock：调用 sync.acquire(1) 方法获取锁。
- unlock：调用 sync.release(1) 方法释放锁。
- isLocked：调用 sync.isHeldExclusively() 方法判断是否锁定。
AQSExample 类：创建了两个线程，分别尝试获取和释放锁，演示了自定义锁的使用。