锁机制（AQS和CAS）

一、AQS

　　1、AQS原理

　　　　AQS：AbstractQuenedSynchronizer抽象的队列式同步器。是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制。
　　　　AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在java.util.concurrent.locks包

　　2、AQS的核心思想

　　　　如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并将共享资源设置为锁定状态，如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
　　　　CLH（Craig，Landin，and Hagersten）队列是一个虚拟的双向队列，虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系。
AQS是将每一条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配。

　　　　AQS就是基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。

　　　　注意：AQS是自旋锁：在等待唤醒的时候，经常会使用自旋（while(!cas())）的方式，不停地尝试获取锁，直到被其他线程获取成功

　　　　实现了AQS的锁有：自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏都是AQS的衍生物
AQS实现的具体方式如下：

　　

　　3、AQS底层使用了模板方法模式

　　同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

　　　　使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）

　　　　将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。

　　　　自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：　　
　　　　　　（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。

　　　　ReentrantLock为例，（可重入独占式锁）：state初始化为0，表示未锁定状态，A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占锁并将state+1.之后其他线程再想tryAcquire的时候就会失败，直到A线程unlock（）到state=0为止，其他线程才有机会获取该锁。A释放锁之前，自己也是可以重复获取此锁（state累加），这就是可重入的概念。

　　　　注意：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state是能回到零态的。

　　　　以CountDownLatch为例，任务分N个子线程去执行，state就初始化 为N，N个线程并行执行，每个线程执行完之后countDown（）一次，state就会CAS减一。当N子线程全部执行完毕，state=0，会unpark()主调用线程，主调用线程就会从await()函数返回，继续之后的动作。

　　　　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。

　　　　在acquire() acquireShared()两种方式下，线程在等待队列中都是忽略中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()是支持响应中断的。

二、CAS

　　1、什么是CAS 

　　　　CAS：Compare and Swap，即比较交换；

　　　　jdk1.5增加了并发包java.util.concurrent.*，其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。jdk1.5之前java语言是靠synchronized关键字保证           同步的，这是一种独占锁，也是悲观锁；

　　2、CAS算法理解

　　　　2.1 与锁相比

　　　　　　使用比较交换会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小；更为要　　　　                 的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销；因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能；

　　　　2.2 无锁的好处：

　　　　　　2.2.1 在高并发情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；

　　　　　　2.2.2 它天生就是死锁免疫的；

　　　　2.3 CAS算法的过程：

　　　　　　它包含三个参数CAS(V,E,N)：V表示更新的变量，E表示预期值，N表示新值；　　　　

　　　　　　2.3.1 线程访问时，先会将主内存中的数据同步到线程的工作内存当中
　　　　　　2.3.2 假设线程A和线程B都有对数据进行更改，那么假如线程A先获取到执行权限
　　　　　　2.3.3 线程A先会对比工作内存当中的数据和主内存当中的数据是否一致，如果一致（V==E）则进行更新，不一致则刷新数据，重新循环判断
　　　　　　2.3.4 这时更新完毕后，线程B也要进行数据更新，主内存数据和工作内存数据做对比，如果一致则进行更新，不一致则将主内存数据重新更新到工作内存，然                        环再次对比两个内存中的数据直到一致为止

　　　　　　

　　　　2.4 CAS操作是抱着乐观的态度进行的

　　　　　　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；

　　　　2.5 简单的说

　　　　　　CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的；如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了；你就要重新读取，                  再次尝试修改就好了；

　　　　2.6 在硬件层面

　　　　　　大部分的现代处理器都已经支持原子性的CAS指令；在jdk1.5以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以                  说是无处不在；

　　3.CAS缺点

　　　　CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题；

　　　　问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它任然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

　　　　如果在这段时间曾经被改成B，然后有改回A，那CAS操作就会误任务它从来没有被修改过。正对这种情况，java并发包提供了一个带有标记的原子应用类                                    AtomicStampedRefernce，它可以通过变量值的版本来保证CAS的正确性；

　　4.原子类

　　　　java中的原子类大致可以分为四个类：

　　　　　　原子更新基本类型；

　　　　　　原子更新数组类型；

　　　　　　原子更新引用类型；

　　　　　　原子更新属性类型；

　　　　这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicIntegerTest implements Runnable {private static Integer count=1;private static AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger();@Overridepublic void run() {while (true){int count=getCountAtomic();System.out.println(count);if (count>=150){break;}}}public synchronized Integer getCount(){try {Thread.sleep(50);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return count++;}public Integer getCountAtomic(){try {Thread.sleep(50);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return atomicInteger.incrementAndGet();}public static void main(String[] args){AtomicIntegerTest test = new AtomicIntegerTest();Thread thread1 = new Thread(test);Thread thread2 = new Thread(test);thread1.start();thread2.start();}
}