CAS / AQS

什么是 CAS？

CAS 全称 Compare-And-Swap（比较并交换），是一种无锁（Lock-Free）的原子操作技术。

它的核心逻辑依赖三个操作数：内存位置（V）、预期旧值（A）和新值（B）。

执行机制：当且仅当内存位置 V 的当前值等于预期旧值 A 时，才会将 V 的值更新为新值 B。如果值不等于 A，说明在这期间有其他线程修改了它，当前操作失败，通常线程会选择自旋（循环）重试。

CAS 的原子性是由底层 CPU 硬件指令（如 x86 架构下的 cmpxchg）直接保证的。

CAS 有什么问题？

CAS 虽然高效，但也存在三个典型的缺陷：

ABA 问题

值从 A 变成 B，又变回 A，CAS 会误判为没有发生过变化（详见下文）。

CPU 开销过大（自旋耗时）

在并发冲突非常激烈的场景下，CAS 会频繁失败，导致线程一直在 while 循环中空转，白白消耗大量 CPU 资源。

只能保证单个共享变量的原子操作

原生 CAS 只能针对一个内存地址生效。如果需要保证多个变量操作的原子性，原生 CAS 无法直接做到（通常需要通过 AtomicReference 将多个变量封装成一个对象来解决）。

什么是 ABA 问题？怎么解决？

现象

假设线程 1 读取了变量当前值 A，此时线程 1 被系统挂起。线程 2 介入，将值从 A 改成了 B，紧接着又改回了 A。当线程 1 恢复执行时，发起 CAS 比较，发现内存里的值依然是 A，于是成功执行了更新。虽然数据"看起来"没变，但它的状态历程已经发生了变化。这在某些业务场景（如链表节点引用转移、带状态的账户流水）下会导致严重的 Bug。

解决方案：引入版本号（Version/Stamp）

每次修改变量时，不仅改变值，还将版本号加 1（即 A(v1) → B(v2) → A(v3)）。当线程 1 带着预期值 A(v1) 尝试修改时，发现内存中已经是 A(v3)，CAS 比较就会失败。

在 Java 中，可以使用 AtomicStampedReference（引入版本号戳）或 AtomicMarkableReference（引入布尔标记）来彻底解决 ABA 问题。

AtomicInteger 怎么保证线程安全？

AtomicInteger 没有使用传统的 synchronized 锁，而是依靠 CAS + volatile + Unsafe 类 的组合来保证并发安全：

volatile 关键字

其内部真正存储整数的 value 变量被声明为 volatile。这保证了内存可见性，确保一个线程修改后，其他线程能立刻读取到最新值，而不是读到缓存中的旧值。

Unsafe 类

Java 无法直接操作内存，而 Unsafe 类提供了硬件级别的原子操作（Native 方法）。

自旋 CAS

以 getAndIncrement()（自增运算）为例，它底层调用了 Unsafe.getAndAddInt()。这个方法内部使用了一个 do-while 循环，不断读取当前的 volatile 值，并尝试通过 CAS 将其加 1。如果失败就重新读取重试，直到成功为止。

什么是 AQS？

AQS 全称是 AbstractQueuedSynchronizer（抽象队列同步器），它是 Java 并发包（JUC）中的核心底层框架。你可以把它理解为一个制造并发工具的"模具"，Java 开发者利用它构建了各种锁和同步组件，极大地降低了处理多线程竞争的复杂度。

AQS 的核心思想是什么？

AQS 的核心架构可以总结为：状态标识 (State) + 双向阻塞队列 (FIFO Queue) + CAS。

同步状态 (state)

AQS 内部维护了一个被 volatile 修饰的 int state 变量，用来表示当前的同步状态。比如在 ReentrantLock 中，state = 0 表示锁空闲，state > 0 表示已有线程占用了锁（且数字代表重入次数）。

FIFO 等待队列

当多个线程竞争共享资源失败时，AQS 会将这些获取不到锁的线程，封装成 Node 节点，加入到一个 CLH 变体的双向链表队列中，并使用 LockSupport.park() 将它们阻塞挂起。

安全的状态变更

当持有锁的线程释放资源时，会把 state 清零，并唤醒队列中头节点的下一个等待线程。所有对 state 以及队列头尾指针的修改，AQS 都是依靠 CAS 操作来保证原子性的。

哪些 JUC 工具基于 AQS？

JUC 包中大部分常用的同步类都是在 AQS 的基础上构建的，典型代表包括：

工具类	AQS 在其中的作用
ReentrantLock	可重入的独占锁。利用 state 记录锁的持有和重入次数。
ReentrantReadWriteLock	读写锁。巧妙地将 32 位的 state 变量按高低 16 位拆分，高位记录读锁，低位记录写锁。
Semaphore (信号量)	共享锁。state 初始值为许可证数量，每次获取减 1，释放加 1。
CountDownLatch (倒计时器)	共享锁。state 初始值为任务数，每次 countDown 使 state 减 1，为 0 时唤醒所有等待线程。
ThreadPoolExecutor.Worker	线程池中的 Worker 内部也实现了一个简易的 AQS，用来控制线程的中断响应状态。