面试刷题22:CAS和AQS是什么？

java并发包提供的同步工具和线程池，底层是基于什么原理来设计和实现的呢？这个非常重要。


我是李福春，我在准备面试，今天的题目是：

CAS和AQS是什么？

答：CAS是一系列的操作集合，获取当前值进行计算，如果当前值没有改变，表示线程没有被占用，直接更新成功，否则，进行重试或者返回成功或者失败。 他是java并发工具包中lock-free的基础吗，依赖底层的cpu提供的特定指令实现。底层依赖于Unsafe的本地对象来实现。

AQS: 全称是AbstractQueuedSynchronizier,抽象队列同步器；他是各种同步工具锁的基础，比如ReentrantLock, CyclicBairier都是基于AQS来实现的。

CAS

以AtomicInteger为例子来分析一下CAS的应用。

首先看内部结构：

然后分析一下他的一个利用CAS实现的原子操作。 ```java public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { int v; do { v = getIntVolatile(o, offset); } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta)); return v; } ``` 这是一个自旋操作，利用Unsafe比较内存的偏移量，基于cpu指令保证修改的原子可见性。


使用CAS也是有缺点的：
1，自旋次数是假定冲突情况很少的理想情况，但是情况不理想容易过度消耗CPU;
2, ABA问题，一般使用加版本号的 AtomicStampedRefence来搞定；


在实际的工作中如何使用CAS来保证同步操作呢？

可以基于AtomicFieldLongUpdater来实现。比如下面是一个基于CAS实现的同步更新数据库索引的例子，代码如下：

 public static class AtomicBTreePartition{

        private volatile long lock;

        private static final AtomicLongFieldUpdater
            lockFieldUpdater
                =AtomicLongFieldUpdater
            .newUpdater(AtomicBTreePartition.class,"lock");

        public void acquireLock(){

            long t = Thread.currentThread().getId();

            while (!lockFieldUpdater.compareAndSet(this, 0, 1)){
                //数据库操作
            }
        }

        public void releaseLock(){

        }

    }

AQS

她的组成核心主要有3个部分。

下面以ReentrantLock的非公平锁为例，分析一下它的加锁和释放锁的实现。
加锁操作代码：

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

继续跟进：

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

非公平锁的获取锁操作：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();// 获取当前AQS内部状态量
    if (c == 0) {
        // 0表示无人占有，则直接用CAS修改状态位，
      if (compareAndSetState(0, acquires)) {
          // 不检查排队情况，直接争抢
          setExclusiveOwnerThread(current);  
         //并设置当前线程独占锁
          return true;
      }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
        //即使状态不是0，也可能当前线程是锁持有者，因为这是再入锁
      int nextc = c + acquires;
      if (nextc < 0) // overflow
          throw new Error("Maximum lock count exceeded");
      setState(nextc);
      return true;
  }
  return false;
}

排队竞争：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
      boolean interrupted = false;
      try {
      for (;;) {// 循环
          final Node p = node.predecessor();// 获取前一个节点
          if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
              // 如果前一个节点是头结点，表示当前节点合适去tryAcquire
              setHead(node); // acquire成功，则设置新的头节点
              p.next = null; // 将前面节点对当前节点的引用清空
              return interrupted;
          }
          if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)) 
              // 检查是否失败后需要park
              interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
      }
       } catch (Throwable t) {
      cancelAcquire(node);// 出现异常，取消
      if (interrupted)
              selfInterrupt();
      throw t;
      }

小结

本节介绍了CAS和AQS的概念，然后以AtomicInteger为例切入原子操作是怎么利用CAS来保证的。
最后，以ReentrantLock的加锁操作，跟进了是如何利用AQS来保证内部的不同操作的。

算是初步探究了同步的实现原理。

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