1.什么是 CAS（ 比较并交换-乐观锁机制-锁自旋）

1.1. 概念及特性

• CAS（Compare And Swap/Set）比较并交换，CAS 算法的过程是这样：它包含 3 个参数CAS(V,E,N)。V 表示要更新的变量(内存值)，E 表示预期值(旧的)，N 表示新值。当且仅当 V 值等于 E 值时，才会将 V 的值设为 N，如果 V 值和 E 值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS 返回当前 V 的真实值。
• CAS 操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS 操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

1.2. 原子包 java.util.concurrent.atomic（锁自旋）

• JDK1.5 的原子包：java.util.concurrent.atomic 这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由 JVM 从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。
• 相对于对于 synchronized 这种阻塞算法，CAS 是非阻塞算法的一种常见实现。由于一般 CPU 切换时间比 CPU 指令集操作更加长， 所以 J.U.C 在性能上有了很大的提升。如下代码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private volatile int value;
public final int get() {
return value;
}
public final int getAndIncrement() {
for (;;) { //CAS 自旋，一直尝试，直达成功
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
}

• getAndIncrement 采用了 CAS 操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1 后的结果进行CAS 操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而 compareAndSet 利用 JNI 来完成CPU 指令的操作。
  

1.3. ABA 问题

• CAS 会导致“ABA 问题”。CAS 算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。
• 比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A，这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A，并且two 进行了一些操作变成了 B，然后 two 又将 V 位置的数据变成 A，这时候线程 one 进行 CAS 操作发现内存中仍然是 A，然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。
• 部分乐观锁的实现是通过版本号（version）的方式来解决 ABA 问题，乐观锁每次在执行数据的修改操作时，都会带上一个版本号，一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行+1 操作，否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现 ABA 问题，因为版本号只会增加不会减少。

2. 什么是 AQS（ 抽象的队列同步器）

• AbstractQueuedSynchronizer 类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS 定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch。
  

• 它维护了一个 volatile int state（代表共享资源）和一个 FIFO 线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里 volatile 是核心关键词，具体 volatile 的语义，在此不述。state 的访问方式有三种:

  • getState()
  • setState()
  • compareAndSetState()

AQS 定义两种资源共享方式

Exclusive独占资源-ReentrantLock

Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如 ReentrantLock）

Share共享资源-Semaphore/CountDownLatch

Share（共享，多个线程可同时执行，如 Semaphore/CountDownLatch）。

• AQS 只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现，AQS 这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现了（通过 state 的 get/set/CAS)之所以没有定义成abstract ， 是 因 为 独 占 模 式 下 只 用 实 现 tryAcquire-tryRelease ， 而 共 享 模 式 下 只 用 实 现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成 abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS 已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
  1. isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到 condition 才需要去实现它。
  2. tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回 true，失败则返回 false。
  3. tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回 true，失败则返回 false。
  4. tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0 表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
  5. tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回 false。

同步器的实现是 ABS核心（state资源状态计数）

• 同步器的实现是 ABS 核心，以 ReentrantLock 为例，state 初始化为 0，表示未锁定状态。A 线程lock()时，会调用 tryAcquire()独占该锁并将 state+1。此后，其他线程再 tryAcquire()时就会失败，直到 A 线程 unlock()到 state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A 线程自己是可以重复获取此锁的（state 会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证 state 是能回到零态的。
• 以 CountDownLatch 以例，任务分为 N 个子线程去执行，state 也初始化为 N（注意 N 要与线程个数一致）。这 N 个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后 countDown()一次，state会 CAS 减 1。等到所有子线程都执行完后(即 state=0)，会 unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从 await()函数返回，继续后余动作。

ReentrantReadWriteLock实现独占和共享两种方式

• 一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现 tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared 中的一种即可。但 AQS 也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如 ReentrantReadWriteLock。