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CAS（Compare And Swap），即比較並交換，是解決多線程並行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制，CAS 操作包含三個操作數——內存位置V、預期原值A和新值B。如果內存位置的值與預期原值相匹配，那麼處理器會自動將該位置值更新為新值；否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。
CAS 有效地說明了「我認為位置V應該包含值A，如果包含該值，則將B放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。」在 Java 中，sun.misc.Unsafe類提供了硬件級別的原子操作來實現這個 CAS，java.util.concurrent包下的大量類都使用了這個Unsafe類的 CAS 操作。
CAS 的應用java.util.concurrent.atomic包下的類大多是使用 CAS 操作來實現的，如AtomicInteger、AtomicBoolean和AtomicLong等。下面以AtomicInteger的部分實現來大致講解下這些原子類的實現。
publicclassAtomicIntegerextendsNumberimplementsjava.io.Serializable{privatestaticfinallongserialVersionUID=6214790243416807050L;//setuptouseUnsafe.compareAndSwapIntforupdatesprivatestaticfinalUnsafeunsafe=Unsafe.getUnsafe();privatevolatileintvalue;//初始int大小//省略了部分代碼...//帶參數構造函數，可設置初始int大小publicAtomicInteger(intinitialValue){value=initialValue;}//不帶參數構造函數,初始int大小為0publicAtomicInteger(){}//獲取當前值publicfinalintget(){returnvalue;}//設置值為newValuepublicfinalvoidset(intnewValue){value=newValue;}//返回舊值，並設置新值為newValuepublicfinalintgetAndSet(intnewValue){/***這裡使用for循環不斷通過CAS操作來設置新值*CAS實現和加鎖實現的關係有點類似樂觀鎖和悲觀鎖的關係**/for(;;){intcurrent=get();if(compareAndSet(current,newValue))returncurrent;}}//原子的設置新值為update,expect為期望的當前的值publicfinalbooleancompareAndSet(intexpect,intupdate){returnunsafe.compareAndSwapInt(this,valueOffset,expect,update);}//獲取當前值current，並設置新值為current+1publicfinalintgetAndIncrement(){for(;;){intcurrent=get();intnext=current+1;if(compareAndSet(current,next))returncurrent;}}//此處省略部分代碼，餘下的代碼大致實現原理都是類似的}一般來說，在競爭不是特別激烈的時候，使用該包下的原子操作性能比使用synchronized關鍵字的方式高效的多。通過查看getAndSet()方法，可知如果資源競爭十分激烈的話，這個for循環可能換持續很久都不能成功跳出。
在這種情況下，我們可能需要考慮如何降低對資源的競爭。在較多的場景下，我們可能會使用到這些原子類操作。一個典型應用就是計數，在多線程的情況下需要考慮線程安全問題，示例代碼如下：
publicclassCounter{privateintcount;publicCounter(){}publicintgetCount(){returncount;}publicvoidincrease(){count++;}}上面這個類在多線程環境下會有線程安全問題，要解決這個問題最簡單的方式可能就是加鎖，優化代碼如下：
publicclassCounter{privateintcount;publicCounter(){}publicsynchronizedintgetCount(){returncount;}publicsynchronizedvoidincrease(){count++;}}這是悲觀鎖的實現，如果我們需要獲取這個資源，那麼我們就給它加鎖，其他線程都無法訪問該資源，直到我們操作完後釋放對該資源的鎖。我們知道，悲觀鎖的效率是不如樂觀鎖的，上面說了atomic包下的原子類的實現是樂觀鎖方式，因此其效率會比使用synchronized關鍵字更高一些，推薦使用這種方式，代碼如下：
publicclassCounter{privateAtomicIntegercount=newAtomicInteger();publicCounter(){}publicintgetCount(){returncount.get();}publicvoidincrease(){count.getAndIncrement();}}CAS 的缺點CAS 雖然能夠很高效的實現原子操作，但是 CAS 仍然存在三大問題。
ABA 問題因為 CAS 需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用 CAS 進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。ABA 問題的解決思路就是使用版本號，在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那麼A－B－A就會變成1A-2B－3A。
從 Java 1.5 開始 JDK 的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決 ABA 問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且當前標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標誌的值設置為給定的更新值。
循環時間長開銷大CAS 自旋如果長時間不成功，會給 CPU 帶來非常大的執行開銷。如果 JVM 能支持處理器提供的pause指令那麼效率會有一定的提升，pause指令有兩個作用，一是它可以延遲流水線執行指令，使 CPU 不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零；二是它可以避免在退出循環的時候因內存順序衝突而引起 CPU 流水線被清空，從而提高 CPU 的執行效率。
只能保證一個共享變量的原子操作當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環 CAS 的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環 CAS 就無法保證操作的原子性，這個時候就需要用鎖，或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合併成一個共享變量來操作。
比如有兩個共享變量i＝2,j=a，合併一下ij=2a，然後用 CAS 來操作ij。從 Java 1.5 開始 JDK 提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，我們可以把多個變量放在一個對象里來進行 CAS 操作。
AQS什麼是 AQS？AQS（AbstractQueuedSynchronizer），即抽象隊列同步器，是 JDK 下提供的一套用於實現基於 FIFO 等待隊列的阻塞鎖和相關的同步器的一個同步框架。這個抽象類被設計為作為一些可用原子int值來表示狀態的同步器的基類。
如果我們看過類似CountDownLatch類的源碼實現，會發現其內部有一個繼承了AbstractQueuedSynchronizer的內部類Sync。可見CountDownLatch是基於 AQS 框架來實現的一個同步器，類似的同步器在 JUC 下還有不少，如Semaphore等。
AQS 的應用如上所述，AQS 管理一個關於狀態信息的單一整數，該整數可以表現任何狀態。比如，Semaphore用它來表現剩餘的許可數，ReentrantLock用它來表現擁有它的線程已經請求了多少次鎖；FutureTask用它來表現任務的狀態等。
/*Tousethisclassasthebasisofasynchronizer,redefinethe*followingmethods,asapplicable,byinspectingand/ormodifying*thesynchronizationstateusing{@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 的文檔中所說，使用 AQS 來實現一個同步器需要覆蓋實現如下幾個方法，並且使用getState、setState和compareAndSetState這三個方法來操作狀態。
booleantryAcquire(intarg)booleantryRelease(intarg)inttryAcquireShared(intarg)booleantryReleaseShared(intarg)booleanisHeldExclusively()以上方法不需要全部實現，根據獲取的鎖的種類可以選擇實現不同的方法，支持獨占（排他）獲取鎖的同步器應該實現tryAcquire、 tryRelease、isHeldExclusively；而支持共享獲取的同步器應該實現tryAcquireShared、tryReleaseShared、isHeldExclusively。
下面以CountDownLatch舉例說明基於 AQS 實現同步器，CountDownLatch用同步狀態持有當前計數，countDown方法調用 release從而導致計數器遞減；當計數器為 0 時，解除所有線程的等待；await調用acquire，如果計數器為 0，acquire會立即返回，否則阻塞。通常用於某任務需要等待其他任務都完成後才能繼續執行的情景。源碼如下：
publicclassCountDownLatch{/***基於AQS的內部Sync*使用AQS的state來表示計數count.*/privatestaticfinalclassSyncextendsAbstractQueuedSynchronizer{privatestaticfinallongserialVersionUID=4982264981922014374L;Sync(intcount){//使用AQS的getState()方法設置狀態setState(count);}intgetCount(){//使用AQS的getState()方法獲取狀態returngetState();}//覆蓋在共享模式下嘗試獲取鎖protectedinttryAcquireShared(intacquires){//這裡用狀態state是否為0來表示是否成功，為0的時候可以獲取到返回1，否則不可以返回-1return(getState()==0)?1:-1;}//覆蓋在共享模式下嘗試釋放鎖protectedbooleantryReleaseShared(intreleases){//在for循環中Decrementcount直至成功;//當狀態值即count為0的時候，返回false表示signalwhentransitiontozerofor(;;){intc=getState();if(c==0)returnfalse;intnextc=c-1;if(compareAndSetState(c,nextc))returnnextc==0;}}}privatefinalSyncsync;//使用給定計數值構造CountDownLatchpublicCountDownLatch(intcount){if(count<0)thrownewIllegalArgumentException("count<0");this.sync=newSync(count);}//讓當前線程阻塞直到計數count變為0，或者線程被中斷publicvoidawait()throwsInterruptedException{sync.acquireSharedInterruptibly(1);}//阻塞當前線程，除非count變為0或者等待了timeout的時間。當count變為0時，返回truepublicbooleanawait(longtimeout,TimeUnitunit)throwsInterruptedException{returnsync.tryAcquireSharedNanos(1,unit.toNanos(timeout));}//count遞減publicvoidcountDown(){sync.releaseShared(1);}//獲取當前count值publiclonggetCount(){returnsync.getCount();}publicStringtoString(){returnsuper.toString()+"[Count="+sync.getCount()+"]";}}AQS 實現原理淺析AQS 的實現主要在於維護一個volatile int state（代表共享資源）和一個 FIFO 線程等待隊列（多線程爭用資源被阻塞時會進入此隊列，此隊列稱之為CLH隊列）。CLH 隊列中的每個節點是對線程的一個封裝，包含線程基本信息，狀態，等待的資源類型等。
CLH結構如下:
*+------+prev+-----++-----+*head||<----||<----||tail*+------++-----++-----+
下面簡單看下獲取資源的代碼:
publicfinalvoidacquire(intarg){//首先嘗試獲取,不成功的話則將其加入到等待隊列，再for循環獲取if(!tryAcquire(arg)&&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE),arg))selfInterrupt();}//從clh中選一個線程獲取占用資源finalbooleanacquireQueued(finalNodenode,intarg){booleanfailed=true;try{booleaninterrupted=false;for(;;){//當節點的先驅是head的時候，就可以嘗試獲取占用資源了tryAcquirefinalNodep=node.predecessor();if(p==head&&tryAcquire(arg)){//如果獲取到資源，則將當前節點設置為頭節點headsetHead(node);p.next=null;//helpGCfailed=false;returninterrupted;}//如果獲取失敗的話，判斷是否可以休息，可以的話就進入waiting狀態，直到被unpark()if(shouldParkAfterFailedAcquire(p,node)&&parkAndCheckInterrupt())interrupted=true;}}finally{if(failed)cancelAcquire(node);}}privateNodeaddWaiter(Nodemode){//封裝當前線程和模式為新的節點,並將其加入到隊列中Nodenode=newNode(Thread.currentThread(),mode);//Trythefastpathofenq;backuptofullenqonfailureNodepred=tail;if(pred!=null){node.prev=pred;if(compareAndSetTail(pred,node)){pred.next=node;returnnode;}}enq(node);returnnode;}privateNodeenq(finalNodenode){for(;;){Nodet=tail;if(t==null){//tail為null，說明還沒初始化，此時需進行初始化工作if(compareAndSetHead(newNode()))tail=head;}else{//否則的話，將當前線程節點作為tail節點加入到CLH中去node.prev=t;if(compareAndSetTail(t,node)){t.next=node;returnt;}}}}參考資料：
感謝閱讀，希望對你有所幫助:)
來源：guobinhit.blog.csdn.net/article/details/106592138
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