java——面试题 进阶（二）

目录

• 并发包中的ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue有什么区别？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展
• Java并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展
• AtomicInteger底层实现原理是什么？如何在自己的产品代码中应用CAS操作？
  • 典型回答
  • 考点分析
  • 知识扩展

并发包中的ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue有什么区别？

典型回答

有时候我们把并发包下面的所有容器都习惯叫作并发容器，但是严格来讲，类似 ConcurrentLinkedQueue 这种“Concurrent”容器，才是真正代表并发。

关于问题中它们的区别：

• Concurrent 类型基于 lock-free，在常见的多线程访问场景，一般可以提供较高吞吐量。
• 而 LinkedBlockingQueue 内部则是基于锁，并提供了 BlockingQueue 的等待性方法。

java.util.concurrent 包提供的容器（Queue、List、Set）、Map，从命名上可以大概区分为 Concurrent、CopyOnWrite和 Blocking等三类，同样是线程安全容器，可以简单认为：

• Concurrent 类型没有类似 CopyOnWrite 之类容器相对较重的修改开销。
• 但是，凡事都是有代价的，Concurrent 往往提供了较低的遍历一致性。你可以这样理解所谓的弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历。
• 与弱一致性对应的，就是同步容器常见的行为“fail-fast”，也就是检测到容器在遍历过程中发生了修改，则抛出 ConcurrentModificationException，不再继续遍历。
• 弱一致性的另外一个体现是，size 等操作准确性是有限的，未必是 100% 准确。
• 与此同时，读取的性能具有一定的不确定性。

考点分析

这个问题是又是一个引子，考察你是否了解并发包内部不同容器实现的设计目的和实现区别。

队列是非常重要的数据结构，我们日常开发中很多线程间数据传递都要依赖于它，Executor 框架提供的各种线程池，同样无法离开队列。面试官可以从不同角度考察，比如：

• 哪些队列是有界的，哪些是无界的？
• 针对特定场景需求，如何选择合适的队列实现？
• 从源码的角度，常见的线程安全队列是如何实现的，并进行了哪些改进以提高性能表现？

知识扩展

线程安全队列一览

常见的集合中如 LinkedList 是个 Deque，只不过不是线程安全的。下面这张图是 Java 并发类库提供的各种各样的线程安全队列实现，注意，图中并未将非线程安全部分包含进来。

我们可以从不同的角度进行分类，从基本的数据结构的角度分析，有两个特别的Deque实现，ConcurrentLinkedDeque 和 LinkedBlockingDeque。Deque 的侧重点是支持对队列头尾都进行插入和删除，所以提供了特定的方法，如:

• 尾部插入时需要的addLast(e)、offerLast(e)。
• 尾部删除所需要的removeLast()、pollLast()。

从上面这些角度，能够理解 ConcurrentLinkedDeque 和 LinkedBlockingQueue 的主要功能区别，也就足够日常开发的需要了。但是如果我们深入一些，通常会更加关注下面这些方面。

从行为特征来看，绝大部分 Queue 都是实现了 BlockingQueue 接口。在常规队列操作基础上，Blocking 意味着其提供了特定的等待性操作，获取时（take）等待元素进队，或者插入时（put）等待队列出现空位。

 /**
 * 获取并移除队列头结点，如果必要，其会等待直到队列出现元素
 */
E take() throws InterruptedException;
 
/**
 * 插入元素，如果队列已满，则等待直到队列出现空闲空间
 */
void put(E e) throws InterruptedException;  

另一个 BlockingQueue 经常被考察的点，就是是否有界（Bounded、Unbounded），这一点也往往会影响我们在应用开发中的选择，简单总结一下。

• ArrayBlockingQueue 是最典型的的有界队列，其内部以 final 的数组保存数据，数组的大小就决定了队列的边界，所以我们在创建 ArrayBlockingQueue 时，都要指定容量，如

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)

• LinkedBlockingQueue，容易被误解为无边界，但其实其行为和内部代码都是基于有界的逻辑实现的，只不过如果我们没有在创建队列时就指定容量，那么其容量限制就自动被设置为 Integer.MAX_VALUE，成为了无界队列。
• SynchronousQueue，这是一个非常奇葩的队列实现，每个删除操作都要等待插入操作，反之每个插入操作也都要等待删除动作。那么这个队列的容量是多少呢？是 1 吗？其实不是的，其内部容量是 0。
• PriorityBlockingQueue 是无边界的优先队列，虽然严格意义上来讲，其大小总归是要受系统资源影响。
• DelayedQueue 和 LinkedTransferQueue 同样是无边界的队列。对于无边界的队列，有一个自然的结果，就是 put 操作永远也不会发生其他 BlockingQueue 的那种等待情况。

如果我们分析不同队列的底层实现，BlockingQueue 基本都是基于锁实现，一起来看看典型的 LinkedBlockingQueue。

/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
 
/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
 
/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
 
/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

ArrayBlockingQueue，其条件变量与 LinkedBlockingQueue 版本的实现是有区别的。notEmpty、notFull 都是同一个再入锁的条件变量，而 LinkedBlockingQueue 则改进了锁操作的粒度，头、尾操作使用不同的锁，所以在通用场景下，它的吞吐量相对要更好一些。

下面的 take 方法与 ArrayBlockingQueue 中的实现，也是有不同的，由于其内部结构是链表，需要自己维护元素数量值，请参考下面的代码。

public E take() throws InterruptedException {
    final E x;
    final int c;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

类似 ConcurrentLinkedQueue 等，则是基于 CAS 的无锁技术，不需要在每个操作时使用锁，所以扩展性表现要更加优异。

相对比较另类的 SynchronousQueue，在 Java 6 中，其实现发生了非常大的变化，利用 CAS 替换掉了原本基于锁的逻辑，同步开销比较小。它是 Executors.newCachedThreadPool() 的默认队列。

队列使用场景与典型用例

在实际开发中，Queue 被广泛使用在生产者 - 消费者场景，比如利用 BlockingQueue 来实现，由于其提供的等待机制，我们可以少操心很多协调工作，你可以参考下面样例代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 
public class ConsumerProducer {
    public static final String EXIT_MSG  = "Good bye!";
    public static void main(String[] args) {
		// 使用较小的队列，以更好地在输出中展示其影响
        BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        Producer producer = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);
        new Thread(producer).start();
        new Thread(consumer).start();
    }
 
 
    static class Producer implements Runnable {
        private BlockingQueue<String> queue;
        public Producer(BlockingQueue<String> q) {
            this.queue = q;
        }
 
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                try{
                    Thread.sleep(5L);
                    String msg = "Message" + i;
                    System.out.println("Produced new item: " + msg);
                    queue.put(msg);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
 
            try {
                System.out.println("Time to say good bye!");
                queue.put(EXIT_MSG);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
 
    static class Consumer implements Runnable{
        private BlockingQueue<String> queue;
        public Consumer(BlockingQueue<String> q){
            this.queue=q;
        }
 
        @Override
        public void run() {
            try{
                String msg;
                while(!EXIT_MSG.equalsIgnoreCase( (msg = queue.take()))){
                    System.out.println("Consumed item: " + msg);
                    Thread.sleep(10L);
                }
                System.out.println("Got exit message, bye!");
            }catch(InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

上面是一个典型的生产者 - 消费者样例，如果使用非 Blocking 的队列，那么我们就要自己去实现轮询、条件判断（如检查 poll 返回值是否 null）等逻辑，如果没有特别的场景要求，Blocking 实现起来代码更加简单、直观。

前面介绍了各种队列实现，在日常的应用开发中，如何进行选择呢？

以 LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue 和 SynchronousQueue 为例，我们一起来分析一下，根据需求可以从很多方面考量：

• 考虑应用场景中对队列边界的要求。ArrayBlockingQueue 是有明确的容量限制的，而 LinkedBlockingQueue 则取决于我们是否在创建时指定，SynchronousQueue 则干脆不能缓存任何元素。
• 从空间利用角度，数组结构的 ArrayBlockingQueue 要比 LinkedBlockingQueue 紧凑，因为其不需要创建所谓节点，但是其初始分配阶段就需要一段连续的空间，所以初始内存需求更大。
• 通用场景中，LinkedBlockingQueue 的吞吐量一般优于 ArrayBlockingQueue，因为它实现了更加细粒度的锁操作。
• ArrayBlockingQueue 实现比较简单，性能更好预测，属于表现稳定的“选手”。
• 如果我们需要实现的是两个线程之间接力性（handoff）的场景，可能会选择 CountDownLatch，但是SynchronousQueue也是完美符合这种场景的，而且线程间协调和数据传输统一起来，代码更加规范。
• 可能令人意外的是，很多时候 SynchronousQueue 的性能表现，往往大大超过其他实现，尤其是在队列元素较小的场景。

Java并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？

典型回答

通常开发者都是利用 Executors 提供的通用线程池创建方法，去创建不同配置的线程池，主要区别在于不同的 ExecutorService 类型或者不同的初始参数。

Executors 目前提供了 5 种不同的线程池创建配置：

• newCachedThreadPool()，它是一种用来处理大量短时间工作任务的线程池，具有几个鲜明特点：
  • 它会试图缓存线程并重用，当无缓存线程可用时，就会创建新的工作线程；
  • 如果线程闲置的时间超过 60 秒，则被终止并移出缓存；
  • 长时间闲置时，这种线程池，不会消耗什么资源。其内部使用 SynchronousQueue 作为工作队列。
• newFixedThreadPool(int nThreads)，重用指定数目（nThreads）的线程，其背后使用的是无界的工作队列，任何时候最多有 nThreads 个工作线程是活动的。这意味着，如果任务数量超过了活动队列数目，将在工作队列中等待空闲线程出现；如果有工作线程退出，将会有新的工作线程被创建，以补足指定的数目 nThreads。
• newSingleThreadExecutor()，它的特点在于工作线程数目被限制为 1，操作一个无界的工作队列，所以它保证了所有任务的都是被顺序执行，最多会有一个任务处于活动状态，并且不允许使用者改动线程池实例，因此可以避免其改变线程数目。
• newSingleThreadScheduledExecutor() 和 newScheduledThreadPool(int corePoolSize)，创建的是corePoolSize个 ScheduledExecutorService，可以进行定时或周期性的工作调度，区别在于单一工作线程还是多个工作线程。
• newWorkStealingPool(int parallelism)，这是一个经常被人忽略的线程池，Java 8 才加入这个创建方法，其内部会构建ForkJoinPool，利用Work-Stealing算法，并行地处理任务，不保证处理顺序。

考点分析

Java 并发包中的 Executor 框架无疑是并发编程中的重点，题目考察的是对几种标准线程池的了解，提供的是一个针对最常见的应用方式的回答。

在大多数应用场景下，使用 Executors 提供的 5 个静态工厂方法就足够了，但是仍然可能需要直接利用 ThreadPoolExecutor 等构造函数创建，这就要求你对线程构造方式有进一步的了解，你需要明白线程池的设计和结构。

另外，线程池这个定义就是个容易让人误解的术语，因为 ExecutorService 除了通常意义上“池”的功能，还提供了更全面的线程管理、任务提交等方法。

Executor 框架可不仅仅是线程池，至少下面几点值得深入学习：

• 掌握 Executor 框架的主要内容，至少要了解组成与职责，掌握基本开发用例中的使用。
• 对线程池和相关并发工具类型的理解，甚至是源码层面的掌握。
• 实践中有哪些常见问题，基本的诊断思路是怎样的。
• 如何根据自身应用特点合理使用线程池。

知识扩展

首先，我们来看看 Executor 框架的基本组成，请参考下面的类图。

我们从整体上把握一下各个类型的主要设计目的：

• Executor 是一个基础的接口，其初衷是将任务提交和任务执行细节解耦，这一点可以体会其定义的唯一方法。

void execute(Runnable command);

Executor 的设计是源于 Java 早期线程 API 使用的教训，开发者在实现应用逻辑时，被太多线程创建、调度等不相关细节所打扰。就像我们进行 HTTP 通信，如果还需要自己操作 TCP 握手，开发效率低下，质量也难以保证。

• ExecutorService 则更加完善，不仅提供 service 的管理功能，比如 shutdown 等方法，也提供了更加全面的提交任务机制，如返回Future而不是 void 的 submit 方法。

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

注意，这个例子输入的可是Callable，它解决了 Runnable 无法返回结果的困扰。

• Java 标准类库提供了几种基础实现，比如ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、ForkJoinPool。这些线程池的设计特点在于其高度的可调节性和灵活性，以尽量满足复杂多变的实际应用场景，会进一步分析其构建部分的源码，剖析这种灵活性的源头。
• Executors 则从简化使用的角度，为我们提供了各种方便的静态工厂方法。

下面从源码角度，分析线程池的设计与实现，将主要围绕最基础的 ThreadPoolExecutor 源码。ScheduledThreadPoolExecutor 是 ThreadPoolExecutor 的扩展，主要是增加了调度逻辑，如想深入了解，你可以参考相关教程。而 ForkJoinPool 则是为 ForkJoinTask 定制的线程池，与通常意义的线程池有所不同。

这部分内容比较晦涩，罗列概念也不利于你去理解，所以会配合一些示意图来说明。在现实应用中，理解应用与线程池的交互和线程池的内部工作过程，你可以参考下图。

简单理解一下：

• 工作队列负责存储用户提交的各个任务，这个工作队列，可以是容量为 0 的 SynchronousQueue（使用 newCachedThreadPool），也可以是像固定大小线程池（newFixedThreadPool）那样使用 LinkedBlockingQueue。

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

• 内部的“线程池”，这是指保持工作线程的集合，线程池需要在运行过程中管理线程创建、销毁。例如，对于带缓存的线程池，当任务压力较大时，线程池会创建新的工作线程；当业务压力退去，线程池会在闲置一段时间（默认 60 秒）后结束线程。

private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();

线程池的工作线程被抽象为静态内部类 Worker，基于AQS实现。

• ThreadFactory 提供上面所需要的创建线程逻辑。
• 如果任务提交时被拒绝，比如线程池已经处于 SHUTDOWN 状态，需要为其提供处理逻辑，Java 标准库提供了类似ThreadPoolExecutor.AbortPolicy等默认实现，也可以按照实际需求自定义。

从上面的分析，就可以看出线程池的几个基本组成部分，一起都体现在线程池的构造函数中，从字面我们就可以大概猜测到其用意：

• corePoolSize，所谓的核心线程数，可以大致理解为长期驻留的线程数目（除非设置了 allowCoreThreadTimeOut）。对于不同的线程池，这个值可能会有很大区别，比如 newFixedThreadPool 会将其设置为 nThreads，而对于 newCachedThreadPool 则是为 0。
• maximumPoolSize，顾名思义，就是线程不够时能够创建的最大线程数。同样进行对比，对于 newFixedThreadPool，当然就是 nThreads，因为其要求是固定大小，而 newCachedThreadPool 则是 Integer.MAX_VALUE。
• keepAliveTime 和 TimeUnit，这两个参数指定了额外的线程能够闲置多久，显然有些线程池不需要它。
• workQueue，工作队列，必须是 BlockingQueue。

通过配置不同的参数，我们就可以创建出行为大相径庭的线程池，这就是线程池高度灵活性的基础。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                      	int maximumPoolSize,
                      	long keepAliveTime,
                      	TimeUnit unit,
                      	BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                      	ThreadFactory threadFactory,
                      	RejectedExecutionHandler handler)

进一步分析，线程池既然有生命周期，它的状态是如何表征的呢？

这里有一个非常有意思的设计，ctl 变量被赋予了双重角色，通过高低位的不同，既表示线程池状态，又表示工作线程数目，这是一个典型的高效优化。试想，实际系统中，虽然我们可以指定线程极限为 Integer.MAX_VALUE，但是因为资源限制，这只是个理论值，所以完全可以将空闲位赋予其他意义。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 真正决定了工作线程数的理论上限 
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int COUNT_MASK = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 线程池状态，存储在数字的高位
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
…
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)  { return c & ~COUNT_MASK; }
private static int workerCountOf(int c)  { return c & COUNT_MASK; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

为了让你能对线程生命周期有个更加清晰的印象，这里画了一个简单的状态流转图，对线程池的可能状态和其内部方法之间进行了对应，如果有不理解的方法，请参考 Javadoc。注意，实际 Java 代码中并不存在所谓 Idle 状态，我添加它仅仅是便于理解。

前面都是对线程池属性和构建等方面的分析，下面选择典型的 execute 方法，来看看其是如何工作的，具体逻辑请参考添加的注释，配合代码更加容易理解。

public void execute(Runnable command) {
…
	int c = ctl.get();
// 检查工作线程数目，低于 corePoolSize 则添加 Worker
	if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
    	if (addWorker(command, true))
        	return;
    	c = ctl.get();
	}
// isRunning 就是检查线程池是否被 shutdown
// 工作队列可能是有界的，offer 是比较友好的入队方式
	if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
    	int recheck = ctl.get();
// 再次进行防御性检查
    	if (! isRunning(recheck) && remove(command))
        	reject(command);
    	else if (workerCountOf(recheck) == 0)
        	addWorker(null, false);
	}
// 尝试添加一个 worker，如果失败意味着已经饱和或者被 shutdown 了
	else if (!addWorker(command, false))
    	reject(command);
}

线程池实践

线程池虽然为提供了非常强大、方便的功能，但是也不是银弹，使用不当同样会导致问题。这里介绍些典型情况，经过前面的分析，很多方面可以自然的推导出来。

• 避免任务堆积。前面说过 newFixedThreadPool 是创建指定数目的线程，但是其工作队列是无界的，如果工作线程数目太少，导致处理跟不上入队的速度，这就很有可能占用大量系统内存，甚至是出现 OOM。诊断时，你可以使用 jmap 之类的工具，查看是否有大量的任务对象入队。
• 避免过度扩展线程。我们通常在处理大量短时任务时，使用缓存的线程池，比如在最新的 HTTP/2 client API 中，目前的默认实现就是如此。我们在创建线程池的时候，并不能准确预计任务压力有多大、数据特征是什么样子（大部分请求是 1K 、100K 还是 1M 以上？），所以很难明确设定一个线程数目。
• 另外，如果线程数目不断增长（可以使用 jstack 等工具检查），也需要警惕另外一种可能性，就是线程泄漏，这种情况往往是因为任务逻辑有问题，导致工作线程迟迟不能被释放。建议你排查下线程栈，很有可能多个线程都是卡在近似的代码处。
• 避免死锁等同步问题。
• 尽量避免在使用线程池时操作 ThreadLocal，。

线程池大小的选择策略

线程池大小不合适，太多或太少，都会导致麻烦，所以我们需要去考虑一个合适的线程池大小。虽然不能完全确定，但是有一些相对普适的规则和思路。

• 如果我们的任务主要是进行计算，那么就意味着 CPU 的处理能力是稀缺的资源，我们能够通过大量增加线程数提高计算能力吗？往往是不能的，如果线程太多，反倒可能导致大量的上下文切换开销。所以，这种情况下，通常建议按照 CPU 核的数目 N 或者 N+1。
• 如果是需要较多等待的任务，例如 I/O 操作比较多，可以参考 Brain Goetz 推荐的计算方法：

\[线程数 = CPU 核数 × 目标 CPU 利用率 ×（1 + 平均等待时间 / 平均工作时间） \]

这些时间并不能精准预计，需要根据采样或者概要分析等方式进行计算，然后在实际中验证和调整。

• 上面是仅仅考虑了 CPU 等限制，实际还可能受各种系统资源限制影响。

另外，在实际工作中，不要把解决问题的思路全部指望到调整线程池上，很多时候架构上的改变更能解决问题，比如利用背压机制的Reactive Stream、合理的拆分等。

AtomicInteger底层实现原理是什么？如何在自己的产品代码中应用CAS操作？

典型回答

AtomicIntger 是对 int 类型的一个封装，提供原子性的访问和更新操作，其原子性操作的实现是基于 CAS（compare-and-swap）技术。

所谓 CAS，表征的是一些列操作的集合，获取当前数值，进行一些运算，利用 CAS 指令试图进行更新。

• 如果当前数值未变，代表没有其他线程进行并发修改，则成功更新。
• 否则，可能出现不同的选择，要么进行重试，要么就返回一个成功或者失败的结果。

从 AtomicInteger 的内部属性可以看出，它依赖于 Unsafe 提供的一些底层能力，进行底层操作；以 volatile 的 value 字段，记录数值，以保证可见性。

private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");
private volatile int value;

具体的原子操作细节，可以参考任意一个原子更新方法，比如下面的 getAndIncrement。

Unsafe 会利用 value 字段的内存地址偏移，直接完成操作。

public final int getAndIncrement() {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

因为 getAndIncrement 需要返归数值，所以需要添加失败重试逻辑。

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;a
}

而类似 compareAndSet 这种返回 boolean 类型的函数，因为其返回值表现的就是成功与否，所以不需要重试。

public final boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue)

CAS 是 Java 并发中所谓 lock-free 机制的基础。

考点分析

这个问题有点偏向于 Java 并发机制的底层了，虽然我们在开发中未必会涉及 CAS 的实现层面，但是理解其机制，掌握如何在 Java 中运用该技术，还是十分有必要的，尤其是这也是个并发编程的面试热点。

CAS 更加底层是如何实现的，这依赖于 CPU 提供的特定指令，具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如，x86 CPU 提供 cmpxchg 指令；而在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对儿指令（如“load and reserve”和“store conditional”）实现的，在大多数处理器上 CAS 都是个非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

大部分情况下，掌握到这个程度也就够用了，认为没有必要让每个 Java 工程师都去了解到指令级别，我们进行抽象、分工就是为了让不同层面的开发者在开发中，可以尽量屏蔽不相关的细节。

如果作为面试官，很有可能深入考察这些方向：

• 在什么场景下，可以采用 CAS 技术，调用 Unsafe 毕竟不是大多数场景的最好选择，有没有更加推荐的方式呢？毕竟我们掌握一个技术，cool 不是目的，更不是为了应付面试，我们还是希望能在实际产品中有价值。
• 对 ReentrantLock、CyclicBarrier 等并发结构底层的实现技术的理解。

知识扩展

关于 CAS 的使用，你可以设想这样一个场景：在数据库产品中，为保证索引的一致性，一个常见的选择是，保证只有一个线程能够排他性地修改一个索引分区，如何在数据库抽象层面实现呢？

可以考虑为索引分区对象添加一个逻辑上的锁，例如，以当前独占的线程 ID 作为锁的数值，然后通过原子操作设置 lock 数值，来实现加锁和释放锁，伪代码如下：

public class AtomicBTreePartition {
    private volatile long lock;
    public void acquireLock(){}
	public void releaseeLock(){}
}

那么在 Java 代码中，我们怎么实现锁操作呢？Unsafe 似乎不是个好的选择，例如，类似 Cassandra 等产品，因为 Java 9 中移除了 Unsafe.moniterEnter()/moniterExit()，导致无法平滑升级到新的 JDK 版本。目前 Java 提供了两种公共 API，可以实现这种 CAS 操作，比如使用 java.util.concurrent.atomic.AtomicLongFieldUpdater，它是基于反射机制创建，我们需要保证类型和字段名称正确。

private static final AtomicLongFieldUpdater<AtomicBTreePartition> lockFieldUpdater =
        AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(AtomicBTreePartition.class, "lock");
 
private void acquireLock(){
    long t = Thread.currentThread().getId();
    while (!lockFieldUpdater.compareAndSet(this, 0L, t)){
        // 等待一会儿，数据库操作可能比较慢
         …
    }
}

Atomic 包提供了最常用的原子性数据类型，甚至是引用、数组等相关原子类型和更新操作工具，是很多线程安全程序的首选。

使用原子数据类型和 AtomicFieldUpdater，创建更加紧凑的计数器实现，以替代 AtomicLong。优化永远是针对特定需求、特定目的，这里的侧重点是介绍可能的思路，具体还是要看需求。如果仅仅创建一两个对象，其实完全没有必要进行前面的优化，但是如果对象成千上万或者更多，就要考虑紧凑性的影响了。而 atomic 包提供的LongAdder，在高度竞争环境下，可能就是比 AtomicLong 更佳的选择，尽管它的本质是空间换时间。

回归正题，如果是 Java 9 以后，我们完全可以采用另外一种方式实现，也就是 Variable Handle API，这是源自于JEP 193，提供了各种粒度的原子或者有序性的操作等。将前面的代码修改为如下实现：

private static final VarHandle HANDLE = MethodHandles.lookup().findStaticVarHandle
        (AtomicBTreePartition.class, "lock");
 
private void acquireLock(){
    long t = Thread.currentThread().getId();
    while (!HANDLE.compareAndSet(this, 0L, t)){
        // 等待一会儿，数据库操作可能比较慢
        …
    }
}

过程非常直观，首先，获取相应的变量句柄，然后直接调用其提供的 CAS 方法。

一般来说，我们进行的类似 CAS 操作，可以并且推荐使用 Variable Handle API 去实现，其提供了精细粒度的公共底层 API。这里强调公共，是因为其 API 不会像内部 API 那样，发生不可预测的修改，这一点提供了对于未来产品维护和升级的基础保障，坦白说，很多额外工作量，都是源于我们使用了 Hack 而非 Solution 的方式解决问题。

CAS 也并不是没有副作用，试想，其常用的失败重试机制，隐含着一个假设，即竞争情况是短暂的。大多数应用场景中，确实大部分重试只会发生一次就获得了成功，但是总是有意外情况，所以在有需要的时候，还是要考虑限制自旋的次数，以免过度消耗 CPU。

另外一个就是著名的ABA问题，这是通常只在 lock-free 算法下暴露的问题。CAS 是在更新时比较前值，如果对方只是恰好相同，例如期间发生了 A -> B -> A 的更新，仅仅判断数值是 A，可能导致不合理的修改操作。针对这种情况，Java 提供了 AtomicStampedReference 工具类，通过为引用建立类似版本号（stamp）的方式，来保证 CAS 的正确性，具体用法请参考这里的介绍。

前面介绍了 CAS 的场景与实现，幸运的是，大多数情况下，Java 开发者并不需要直接利用 CAS 代码去实现线程安全容器等，更多是通过并发包等间接享受到 lock-free 机制在扩展性上的好处。

下面来介绍一下 AbstractQueuedSynchronizer（AQS），其是 Java 并发包中，实现各种同步结构和部分其他组成单元（如线程池中的 Worker）的基础。

学习 AQS，如果上来就去看它的一系列方法（下图所示），很有可能把自己看晕，这种似懂非懂的状态也没有太大的实践意义。

建议的思路是，尽量简化一下，理解为什么需要 AQS，如何使用 AQS，至少要做什么，再进一步结合 JDK 源代码中的实践，理解 AQS 的原理与应用。

Doug Lea曾经介绍过 AQS 的设计初衷。从原理上，一种同步结构往往是可以利用其他的结构实现的。但是，对某种同步结构的倾向，会导致复杂、晦涩的实现逻辑，所以，他选择了将基础的同步相关操作抽象在 AbstractQueuedSynchronizer 中，利用 AQS 为我们构建同步结构提供了范本。

AQS 内部数据和方法，可以简单拆分为：

• 一个 volatile 的整数成员表征状态，同时提供了 setState 和 getState 方法

private volatile int state;

• 一个先入先出（FIFO）的等待线程队列，以实现多线程间竞争和等待，这是 AQS 机制的核心之一。
• 各种基于 CAS 的基础操作方法，以及各种期望具体同步结构去实现的 acquire/release 方法。

利用 AQS 实现一个同步结构，至少要实现两个基本类型的方法，分别是 acquire 操作，获取资源的独占权；还有就是 release 操作，释放对某个资源的独占。

以 ReentrantLock 为例，它内部通过扩展 AQS 实现了 Sync 类型，以 AQS 的 state 来反映锁的持有情况。

private final Sync sync;
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { …}

下面是 ReentrantLock 对应 acquire 和 release 操作，如果是 CountDownLatch 则可以看作是 await()/countDown()，具体实现也有区别。

public void lock() {
    sync.acquire(1);
}
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

排除掉一些细节，整体地分析 acquire 方法逻辑，其直接实现是在 AQS 内部，调用了 tryAcquire 和 acquireQueued，这是两个需要搞清楚的基本部分。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

首先，我们来看看 tryAcquire。在 ReentrantLock 中，tryAcquire 逻辑实现在 NonfairSync 和 FairSync 中，分别提供了进一步的非公平或公平性方法，而 AQS 内部 tryAcquire 仅仅是个接近未实现的方法（直接抛异常），这是留个实现者自己定义的操作。

我们可以看到公平性在 ReentrantLock 构建时如何指定的，具体如下：

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync(); // 默认是非公平的
    }
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

以非公平的 tryAcquire 为例，其内部实现了如何配合状态与 CAS 获取锁，注意，对比公平版本的 tryAcquire，它在锁无人占有时，并不检查是否有其他等待者，这里体现了非公平的语义。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();// 获取当前 AQS 内部状态量
    if (c == 0) { // 0 表示无人占有，则直接用 CAS 修改状态位，
    	if (compareAndSetState(0, acquires)) {// 不检查排队情况，直接争抢
        	setExclusiveOwnerThread(current);  // 并设置当前线程独占锁
        	return true;
    	}
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 即使状态不是 0，也可能当前线程是锁持有者，因为这是再入锁
    	int nextc = c + acquires;
    	if (nextc < 0) // overflow
        	throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    	setState(nextc);
    	return true;
	}
	return false;
}

接下来再来分析 acquireQueued，如果前面的 tryAcquire 失败，代表着锁争抢失败，进入排队竞争阶段。这里就是我们所说的，利用 FIFO 队列，实现线程间对锁的竞争的部分，算是是 AQS 的核心逻辑。

当前线程会被包装成为一个排他模式的节点（EXCLUSIVE），通过 addWaiter 方法添加到队列中。acquireQueued 的逻辑，简要来说，就是如果当前节点的前面是头节点，则试图获取锁，一切顺利则成为新的头节点；否则，有必要则等待，具体处理逻辑请参考添加的注释。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
      boolean interrupted = false;
      try {
    	for (;;) {// 循环
        	final Node p = node.predecessor();// 获取前一个节点
        	if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 如果前一个节点是头结点，表示当前节点合适去 tryAcquire
            	setHead(node); // acquire 成功，则设置新的头节点
            	p.next = null; // 将前面节点对当前节点的引用清空
            	return interrupted;
        	}
        	if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)) // 检查是否失败后需要 park
            	interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
    	}
       } catch (Throwable t) {
    	cancelAcquire(node);// 出现异常，取消
    	if (interrupted)
        	    selfInterrupt();
    	throw t;
      }
}

到这里线程试图获取锁的过程基本展现出来了，tryAcquire 是按照特定场景需要开发者去实现的部分，而线程间竞争则是 AQS 通过 Waiter 队列与 acquireQueued 提供的，在 release 方法中，同样会对队列进行对应操作。