札记CAS、AQS、CountDownLatch、CyclicBarrier的原理

经常会被人问到CAS的原理、AQS的原理，CountDownLatch的原理，CyclicBarrier的原理！时间久了，就可能慢慢忘了，但是我们在编程的时，在用到的时候可以快速的浏览一下，于是就又记起来了。这里我把它记录起来，便于在自己闲暇时刻浏览阅读。

CAS的原理

CAS的英文是Compare and Swap,中文意思是比较并交换。JUC包中借助CAS实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。重点来了，CAS的原理:CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许Java调用其他语言(C)。很多实现原子性操作的调用，都是依赖于sun.misc.Unsafe类。比如:compareAndSwapInt()方法就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

AQS的原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是JDK1.5提供的一个基于FIFO等待队列实现的一个用于实现同步器的基础框架，这个基础框架的重要性可以这么说，JUC包里面几乎所有的有关锁、多线程并发以及线程同步器等重要组件的实现都是基于AQS这个框架。AQS的核心思想是基于volatile int state这样的一个属性同时配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁的状态进行修改。当state的值为0的时候，标识该Lock不被任何线程所占有。

CountDownLatch的原理

实现原理:计数器的值由构造函数传入，并用它初始化AQS的state值。当线程调用await方法时会检查state的值是否为0，如果是就直接返回（即不会阻塞）；如果不是，将表示该节点的线程入列，然后将自身阻塞。当其它线程调用countDown方法会将计数器减1，然后判断计数器的值是否为0，当它为0时，会唤醒队列中的第一个节点，由于CountDownLatch使用了AQS的共享模式，所以第一个节点被唤醒后又会唤醒第二个节点，以此类推，使得所有因await方法阻塞的线程都能被唤醒而继续执行

CyclicBarrier的原理

实现原理：在CyclicBarrier的内部定义了一个Lock对象，每当一个线程调用CyclicBarrier的await方法时，将剩余拦截的线程数减1，然后判断剩余拦截数是否为0，如果不是，进入Lock对象的条件队列等待。如果是，执行barrierAction对象的Runnable方法，然后将锁的条件队列中的所有线程放入锁等待队列中，这些线程会依次的获取锁、释放锁，接着先从await方法返回，再从CyclicBarrier的await方法中返回。

比较CountDownLatch和CyclicBarrier的区别

1 CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行；而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待

2 CountDownLatch的计数器到0无法被重置；CyclicBarrier的计数器可以被循环使用，因此它被称为是循环的屏障

总结

要学习好Java并发基础，并清楚其原理，还是要多阅读源码，学习Java虚拟机内存模型（JMM）以及Java的内存管理原理。其实会发现很多时候底层都是调用了JNI接口，而很多并发容器都实现了AQS（模板方法模式）。

参考资料

1 Doug Lea Java并发编程实践

2 方腾飞 Java并发编程的艺术

3 Hsuxu的博客 https://blog.csdn.net/hsuxu/article/details/9467651

4 大明哥 死磕系列博客地址: http://cmsblogs.com/