默认

CAS与AQS 底层原理、核心流程、面试最全详解

约 4791 字

CAS与AQS 底层原理、核心流程、面试最全详解

CAS 是无锁并发基石（原子操作、乐观锁）；AQS 是 JUC 并发包核心骨架（锁、同步器底层父类）。AQS 底层依赖 CAS 实现加锁，二者是「基础工具 → 上层框架」的依赖关系，是Java并发面试核心重点。

一、CAS 原理（Compare And Swap）

1. 核心定义

CAS（比较并交换）：是一种无锁、乐观锁、原子操作。不阻塞线程，通过自旋重试保证并发安全。

核心逻辑三段式（原子执行，不可拆分）：

  1. 获取旧值：读取内存当前值 V
  2. 比较校验：判断 V 是否等于预期值 E
  3. 交换更新：相等则将值更新为新值 N；不相等说明被修改，更新失败，重试

公式：CAS(V,E,N)

2. 底层实现

  • Java 层：Unsafe 类的 compareAndSwapXXX 本地方法
  • JVM 层：汇编指令 cmpxchg
  • 硬件层：CPU 总线锁/缓存锁保证硬件级原子性

核心优势：无阻塞、无线程切换、用户态自旋、并发性能远超synchronized重量级锁。

3. CAS 三大致命问题（面试必考）

（1）ABA 问题

场景：线程1读取值A，线程2先改成B、再改回A，线程1CAS比较成功，误以为数据未被修改，导致逻辑异常。

解决方案：版本号机制（AtomicStampedReference），不仅比较值，还比较版本号。

（2）循环自旋开销大

竞争极度激烈时，CAS持续失败、无限自旋，空转消耗CPU，导致CPU飙升。

解决方案：自适应自旋、超时CAS、退避策略。

（3）只能保证单个变量原子性

CAS 仅能原子更新一个变量，无法保证多变量复合操作的原子性。

解决方案：使用锁 / AtomicReference 封装对象。

4. CAS 应用场景

  • 所有 Atomic 原子类（AtomicInteger、AtomicLong）
  • AQS 锁状态更新、线程入队、抢锁
  • 乐观锁、计数器、限流统计

二、AQS 原理（AbstractQueuedSynchronizer）

AQS 是 JUC 所有锁和同步工具的底层骨架。

ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier、ThreadPoolExecutor 核心同步逻辑全部基于 AQS 实现。

1. AQS 三大核心组件

（1）state 同步状态（核心变量）

volatile int state，通过 CAS 修改，代表锁/资源状态：

  • ReentrantLock：0=无锁，1=加锁，>1=可重入次数
  • CountDownLatch：代表剩余倒数次数
  • Semaphore：代表剩余可用信号量数量

（2）CLH 双向阻塞队列

抢锁失败的线程，会封装成 Node 节点，进入队列阻塞排队，避免CAS无限自旋浪费CPU。

结构：head 头节点 + 无数 Node + tail 尾节点

（3）Node 节点

封装阻塞线程、等待状态、前后指针：

  • thread：阻塞的线程
  • waitStatus：节点等待状态（阻塞、取消、唤醒）
  • prev / next：双向链表指针

2. AQS 核心工作模式

AQS 只定义排队、阻塞、唤醒、状态更新通用逻辑，不定义具体锁逻辑。

子类（ReentrantLock等）重写：tryAcquire、tryRelease 实现自己的加锁/释放规则。

3. AQS 完整抢锁流程（面试必背）

  1. 尝试CAS抢锁：线程通过CAS修改state，成功则直接获取锁，执行业务
  2. 抢锁失败入队：CAS失败，封装为Node节点，CAS入队
  3. 前置检查：判断前驱节点是否有效，是否需要阻塞
  4. LockSupport.park() 阻塞：挂起线程，释放CPU，不再自旋
  5. 解锁唤醒后继：持有锁线程释放锁，修改state，唤醒队列中下一个线程
  6. 后继线程竞争锁：被唤醒线程再次CAS尝试抢锁，循环执行

4. AQS 两种工作模式

（1）独占模式（Exclusive）

同一时刻只允许一个线程获取锁。

代表：ReentrantLock

（2）共享模式（Share）

允许多个线程同时获取资源。

代表：CountDownLatch、Semaphore、读写锁读模式

5. AQS 为什么性能高？

  • 无锁抢锁：成功时直接CAS，不阻塞，速度极快
  • 失败才阻塞：抢不到才park，避免空转浪费CPU
  • 队列公平调度：有序排队、精准唤醒，无无效竞争
  • 细粒度控制：自旋+阻塞结合，兼顾高并发与低开销

三、CAS 与 AQS 核心关系（灵魂考点）

  1. CAS是AQS的底层原子工具：AQS所有state修改、节点入队全部靠CAS实现线程安全
  2. CAS只负责更新，AQS负责调度：CAS抢锁失败会无限空转，AQS封装队列+阻塞，解决CAS CPU空转问题
  3. 互补关系：CAS负责无锁修改，AQS负责失败排队、线程阻塞唤醒

四、面试极简背诵版（直接默写）

CAS 背诵

CAS是比较并交换的硬件级原子乐观锁，通过预期值比对实现无锁更新，性能高；存在ABA问题、CPU自旋空转、仅支持单变量原子操作三大缺陷，ABA可通过版本号解决。

AQS 背诵

AQS是JUC并发工具底层骨架，核心由state状态、CLH双向队列、Node节点组成。通过CAS尝试抢锁，失败线程入队阻塞，锁释放后唤醒后继线程，实现高效的线程同步，分为独占和共享两种模式。

五、高频面试追问

1. AQS 和 synchronized 区别？

  • synchronized：JVM底层实现，自动加锁释放，阻塞重量级、灵活性低
  • AQS(Lock)：Java代码实现，可中断、可超时、可公平/非公平、可读写分离，性能更优、灵活度更高

2. 为什么 AQS 要用 CAS？

保证多线程并发修改 state、入队操作的原子性，不使用重量级锁，保证高并发性能。

3. CAS 自旋和 AQS park 区别？

  • CAS自旋：用户态循环重试，不释放CPU，高并发耗CPU
  • park阻塞：线程挂起，释放CPU，内核态阻塞，无资源消耗

六、ReentrantLock 基于 AQS 完整加锁/解锁流程（面试核心）

ReentrantLock 是 AQS 独占模式的经典实现，核心特性：可重入、可公平/非公平、可中断、可超时。内部通过自定义同步器 FairSync（公平锁）、NonFairSync（非公平锁）重写 AQS 的 tryAcquire/tryRelease 方法，实现加锁释放逻辑。

1. 核心前置认知

  • AQS state=0：无锁状态，线程可竞争锁
  • AQS state>0：已加锁，数值代表可重入次数
  • 独占模式：同一时刻仅一个线程持有锁
  • 非公平锁：上来直接抢锁，不排队，吞吐量高（默认）
  • 公平锁：先判断队列是否有等待线程，有序竞争，无线程饥饿

2. 非公平锁 完整加锁流程（默认）

核心特点：不看排队队列，直接CAS抢占锁，效率更高

  1. 初始CAS抢锁：线程调用 lock()，直接通过 CAS 尝试将 state 从 0 修改为 1。
    修改成功 → 直接获取锁，设置当前线程为独占持有线程，执行业务逻辑。
  2. 抢锁失败，进入 tryAcquire：CAS 失败说明锁被占用，执行非公平锁的 tryAcquire 逻辑。
  3. 判断可重入：判断当前持有锁的线程是否是自身：
    是自身：state +1，可重入成功，直接返回true
  4. 不是自身：返回加锁失败
  5. 失败入队阻塞：加锁失败，执行 AQS 核心逻辑：将当前线程封装为 Node 节点，通过 CAS 加入 CLH 阻塞队列。
  6. 自旋校验+park阻塞：线程循环判断前驱节点是否为头节点，尝试再次抢锁；多次失败后调用 LockSupport.park() 挂起线程，释放CPU，等待唤醒。

3. 公平锁 完整加锁流程

核心特点：严格遵循先来先服务，杜绝插队，解决线程饥饿

  1. 禁止直接插队：线程调用 lock()，不会直接CAS抢锁，优先判断 AQS 等待队列是否存在等待线程。
  2. 队列有线程：直接放弃抢锁，进入队列排队阻塞。
  3. 队列无线程：尝试CAS修改state抢锁。
  4. 可重入校验：抢锁成功则持有锁；失败则判断是否为当前线程重入，是则state累加，否则入队阻塞。

4. 解锁完整流程（tryRelease）

ReentrantLock 解锁必须层层递减重入次数，并非一次解锁直接释放

  1. 校验持有线程：解锁线程必须是锁的独占持有线程，否则抛出异常。
  2. 重入次数递减：state 自减 1。
  3. 判断是否完全释放：
    递减后 state > 0：代表多次重入，锁未释放，仅返回false
  4. 递减后 state = 0：锁完全释放，清空独占持有线程
  5. 唤醒后继线程：锁完全释放后，遍历CLH队列，唤醒head节点的下一个有效等待线程。
  6. 后继竞争锁：被唤醒的线程再次通过CAS尝试获取锁，循环执行AQS抢锁逻辑。

5. 非公平锁 vs 公平锁 核心区别（面试高频）

  • 非公平锁（默认）：上来直接抢锁，允许插队，吞吐量高、性能好，可能导致尾部线程饥饿，生产默认使用。
  • 公平锁：严格排队、无饥饿，线程切换开销大，吞吐量低，适用于对公平性有强要求的业务。

6. ReentrantLock 可重入原理总结

AQS 的 state 变量记录重入次数，同一线程每次加锁state+1，每次解锁state-1，只有 state 归0才会真正释放锁，完美支持方法嵌套加锁，避免自身死锁。

7. 面试终极背诵版

ReentrantLock基于AQS独占模式实现，默认非公平锁，加锁时先CAS抢占state，成功则持有锁；失败则判断可重入，重入成功累加state，否则线程封装Node入队阻塞。解锁时递减state，归0则释放锁并唤醒队列后继线程。公平锁会优先判断等待队列，禁止插队，保证线程公平竞争。