JAVA并发编程: CAS和AQS

说起JAVA并发编程,就不得不聊聊CAS(Compare And Swap)和AQS了(AbstractQueuedSynchronizer)。


CAS(Compare And Swap)

什么是CAS

CAS(Compare And Swap),即比较并交换。是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制,CAS操作包含三个操作数——内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则,处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A;如果包含该值,则将B放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。

在JAVA中,sun.misc.Unsafe 类提供了硬件级别的原子操作来实现这个CAS。 java.util.concurrent 包下的大量类都使用了这个 Unsafe.java 类的CAS操作。至于 Unsafe.java 的具体实现这里就不讨论了。

CAS典型应用

java.util.concurrent.atomic 包下的类大多是使用CAS操作来实现的(eg. AtomicInteger.java,AtomicBoolean,AtomicLong)。下面以 AtomicInteger.java 的部分实现来大致讲解下这些原子类的实现。

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public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

private volatile int value;// 初始int大小
// 省略了部分代码...

// 带参数构造函数,可设置初始int大小
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
// 不带参数构造函数,初始int大小为0
public AtomicInteger() {
}

// 获取当前值
public final int get() {
return value;
}

// 设置值为 newValue
public final void set(int newValue) {
value = newValue;
}

//返回旧值,并设置新值为 newValue
public final int getAndSet(int newValue) {
/**
* 这里使用for循环不断通过CAS操作来设置新值
* CAS实现和加锁实现的关系有点类似乐观锁和悲观锁的关系
* */
for (;;) {
int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
}

// 原子的设置新值为update, expect为期望的当前的值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

// 获取当前值current,并设置新值为current+1
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}

// 此处省略部分代码,余下的代码大致实现原理都是类似的
}

一般来说在竞争不是特别激烈的时候,使用该包下的原子操作性能比使用 synchronized 关键字的方式高效的多(查看getAndSet(),可知如果资源竞争十分激烈的话,这个for循环可能换持续很久都不能成功跳出。不过这种情况可能需要考虑降低资源竞争才是)。 在较多的场景我们都可能会使用到这些原子类操作。一个典型应用就是计数了,在多线程的情况下需要考虑线程安全问题。通常第一映像可能就是:

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public class Counter {
private int count;
public Counter(){}
public int getCount(){
return count;
}
public void increase(){
count++;
}
}

上面这个类在多线程环境下会有线程安全问题,要解决这个问题最简单的方式可能就是通过加锁的方式,调整如下:

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public class Counter {
private int count;
public Counter(){}
public synchronized int getCount(){
return count;
}
public synchronized void increase(){
count++;
}
}

这类似于悲观锁的实现,我需要获取这个资源,那么我就给他加锁,别的线程都无法访问该资源,直到我操作完后释放对该资源的锁。我们知道,悲观锁的效率是不如乐观锁的,上面说了Atomic下的原子类的实现是类似乐观锁的,效率会比使用 synchronized 关系字高,推荐使用这种方式,实现如下:

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public class Counter {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public Counter(){}
public int getCount(){
return count.get();
}
public void increase(){
count.getAndIncrement();
}
}

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

什么是AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer),AQS是JDK下提供的一套用于实现基于FIFO等待队列的阻塞锁和相关的同步器的一个同步框架。这个抽象类被设计为作为一些可用原子int值来表示状态的同步器的基类。如果你有看过类似 CountDownLatch 类的源码实现,会发现其内部有一个继承了 AbstractQueuedSynchronizer 的内部类 Sync 。可见 CountDownLatch 是基于AQS框架来实现的一个同步器.类似的同步器在JUC下还有不少。(eg. Semaphore )

AQS用法

如上所述,AQS管理一个关于状态信息的单一整数,该整数可以表现任何状态。比如, Semaphore 用它来表现剩余的许可数,ReentrantLock 用它来表现拥有它的线程已经请求了多少次锁;FutureTask 用它来表现任务的状态(尚未开始、运行、完成和取消)

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To use this class as the basis of a synchronizer, redefine the
* following methods, as applicable, by inspecting and/or modifying
* the synchronization state using {@link #getState}, {@link
* #setState} and/or {@link #compareAndSetState}:
*
* <ul>
* <li> {@link #tryAcquire}
* <li> {@link #tryRelease}
* <li> {@link #tryAcquireShared}
* <li> {@link #tryReleaseShared}
* <li> {@link #isHeldExclusively}
* </ul>

如JDK的文档中所说,使用AQS来实现一个同步器需要覆盖实现如下几个方法,并且使用getState,setState,compareAndSetState这几个方法来设置获取状态

  1. boolean tryAcquire(int arg)
  2. boolean tryRelease(int arg)
  3. int tryAcquireShared(int arg)
  4. boolean tryReleaseShared(int arg)
  5. boolean isHeldExclusively()

以上方法不需要全部实现,根据获取的锁的种类可以选择实现不同的方法,支持独占(排他)获取锁的同步器应该实现tryAcquiretryReleaseisHeldExclusively而支持共享获取的同步器应该实现tryAcquireSharedtryReleaseSharedisHeldExclusively。下面以 CountDownLatch 举例说明基于AQS实现同步器, CountDownLatch 用同步状态持有当前计数,countDown方法调用 release从而导致计数器递减;当计数器为0时,解除所有线程的等待;await调用acquire,如果计数器为0,acquire 会立即返回,否则阻塞。通常用于某任务需要等待其他任务都完成后才能继续执行的情景。源码如下:

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public class CountDownLatch {
/**
* 基于AQS的内部Sync
* 使用AQS的state来表示计数count.
*/
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;

Sync(int count) {
// 使用AQS的getState()方法设置状态
setState(count);
}

int getCount() {
// 使用AQS的getState()方法获取状态
return getState();
}

// 覆盖在共享模式下尝试获取锁
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 这里用状态state是否为0来表示是否成功,为0的时候可以获取到返回1,否则不可以返回-1
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

// 覆盖在共享模式下尝试释放锁
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 在for循环中Decrement count直至成功;
// 当状态值即count为0的时候,返回false表示 signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
}

private final Sync sync;

// 使用给定计数值构造CountDownLatch
public CountDownLatch(int count) {
if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
this.sync = new Sync(count);
}

// 让当前线程阻塞直到计数count变为0,或者线程被中断
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

// 阻塞当前线程,除非count变为0或者等待了timeout的时间。当count变为0时,返回true
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

// count递减
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}

// 获取当前count值
public long getCount() {
return sync.getCount();
}

public String toString() {
return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";
}
}

本文大致就讲了这些东西,有些地方说的也不是特别好。也有不全的地方,AQS的东西还是有不少的,建议大家自己去看JUC下的各个类的实现,配合《JAVA并发编程实践》这本书,相信是恩呢挂钩看明白的,从而得到更深刻的理解。