并发编程之CAS、AQS

简介: CAS(Compare and Swap)是一种并发编程中常用的原子操作,用于实现多线程环境下的同步。CAS 操作包括读取一个内存位置的值,与一个期望的值进行比较,如果相等,则更新该内存位置的值。整个操作是原子的,即在执行过程中不会被其他线程中断。

一、CAS

CAS(Compare and Swap)是一种并发编程中常用的原子操作,用于实现多线程环境下的同步。CAS 操作包括读取一个内存位置的值,与一个期望的值进行比较,如果相等,则更新该内存位置的值。整个操作是原子的,即在执行过程中不会被其他线程中断。

CAS 操作通常用于解决多线程并发情况下的竞态条件问题。竞态条件是指当多个线程同时访问共享资源,并尝试同时修改它时可能导致的不确定性行为。CAS 操作可以帮助在不使用锁的情况下实现对共享变量的安全更新。


CAS 操作的基本步骤如下:


读取内存位置的当前值。

与期望的值进行比较。

如果相等,将新值写入该内存位置;否则,不进行任何操作。

返回操作是否成功的结果。

如果在比较和更新的过程中,其他线程修改了该内存位置的值,CAS 操作会失败。这时,程序可以选择重新尝试 CAS 操作,或者采取其他处理方式。

在 Java 中,java.util.concurrent.atomic 包提供了一系列基于 CAS 操作的原子类,如 AtomicInteger、AtomicLong 等,这些类可以在并发环境中安全地进行数值的更新操作,而无需显式地使用锁。CAS 操作在并发编程中是一种重要的技术,但需要谨慎使用,因为在高并发情况下,CAS 操作可能会导致自旋等待,增加系统负担。


二、AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java中用于构建锁和其他同步器的框架,它提供了一种灵活且强大的基础,可用于实现各种同步机制。AQS被广泛用于Java的并发工具包(如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等)的实现中。

AQS的核心思想是通过维护一个等待队列(队列中的节点通常表示线程)来管理资源的访问。它定义了两种形式的同步:独占(Exclusive)和共享(Shared)。独占锁只允许一个线程同时获得,而共享锁允许多个线程同时获得。

AQS的主要特征和方法包括:

状态管理:

AQS 维护了一个状态变量,表示被同步器保护的资源的状态。通过定义getState、setState、compareAndSetState等方法来操作状态。

等待队列:

AQS 使用等待队列来管理等待获取同步状态的线程。通过Node类表示等待队列中的节点,队列中的节点状态可以表示线程的等待状态。

独占模式:

AQS 提供了独占式获取和释放同步状态的方法(acquire、release)。

共享模式:

AQS 也支持共享式获取和释放同步状态的方法(acquireShared、releaseShared)。

条件变量:

AQS 提供了条件变量(Condition),允许线程在特定条件下等待或被唤醒。

AQS的设计允许具体的同步器子类化AQS,并通过实现相关的模板方法来定义自己的同步逻辑。这种模板方法的设计使得AQS可以适用于各种同步机制的实现,从而实现了更高层次的抽象。

总体而言,AQS是Java并发编程中一个关键的框架,为实现各种锁和同步器提供了强大的基础。了解AQS的概念和使用方式对于深入理解并发编程、自定义同步机制非常有帮助。

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