CAS 与 AQS

5.9.16 CAS (Compare and Swap) 原理

• 在并发中判断是否被其他线程修改的方法，保证多线程情况下修改不会出错。假设某个变量应该是某值，如果是，则继续修改；如果不是则该值被其他线程修改过，则不修改。
• 三个操作数：内存值 V, 预期值 A 和要修改的值 B. 仅当 V 与 A 相同时，才将 V 修改为 B，最后返回 V.
• 应用场景：
  • 乐观锁
  • 并发容器
  • 原子类
    1. 加载 Unsafe 工具直接操作内存数据
       Java 通过本地方法编写了 Unsafe 类，提供了硬件级别的原子操作。
       通过 valueOffset 这样的内存偏移地址在内存中获取到 value 原值，之后提供 Unsafe 来实现 CAS.
    2. 使用 volatile 修饰 value 字段保证可见性
• 缺点：
  • ABA 问题：线程 1 在比较时发现值符合，但是在准备修改期间被其他线程变更值为其他值又变回原值，CAS 无法知道这些变更。可以利用版本号的方法解决。
  • 自旋时间过长

5.9.17 AQS (Abstract Queued Synchronizer)

AQS 是一个用于构建锁、同步器和协作工具的工具类。利用它可以简单构建线程协作类。
核心为三部分：

• state
  • 会因为具体实现类的不同而具有不同含义。在 Semaphore 中表示剩余信号量个数。在 CountDownLatch 中表示还要倒数的个数。在 ReentrantLock 中表示锁的占有情况，比如可重入次数。
  • 被 volatile 修饰，允许并发修改。修改 state 的方法需要保证线程安全，例如 getState(), setSate(), compareAndSetState() 等。这些方法都依赖 atomic 包支持。
• 控制线程对锁争抢和配合的 FIFO 队列
  • 用来存放等待中的线程。
  • 双向链表形式。
• 期望协作工具类要实现的获取和释放等重要方法
  • 获取方法
    依赖 state 变量，经常会阻塞。例如 Semaphore 中的 acquire(), CountDownLatch 中的 await()
  • 释放方法
    依赖 state 变量，不会阻塞。例如 Semaphore 中的 release(), CountDownLatch 中的 countDown()

示例：
利用 AQS 编写一个一次性门闩线程协作器。线程调用 await() 进入阻塞状态；当某一线程调用 signal() 则放行所有线程。

public class Latch {
    private Sync sync = new Sync();

    // 获取
    public void await() {
        sync.acquireShared(0);
    }

    // 释放
    public void signal() {
        sync.releaseShared(0);
    }

    private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {
            return (getState() == 1) ? 1 : -1;  // 小于 0 的时候阻塞
        }

        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            setState(1);    // state = 1 时放行
            return true;    // 为真时放行
        }
    }
}