JUC 核心原理：CAS、Atomic、Lock、AQS 与 ReentrantLock

JUC 是 java.util.concurrent 包的简称，是 Java 并发编程的核心工具箱。

如果说 synchronized 和 volatile 是并发基础关键字，那么 JUC 提供的是更丰富的工程化能力：原子类、显式锁、同步器、并发容器、阻塞队列、线程池。

Atomic 原子类

Atomic 包提供了一组基于 CAS 的原子操作类。

常见类型包括：

类型	示例
基本类型原子类	AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
引用类型原子类	AtomicReference
数组原子类	AtomicIntegerArray
字段更新器	AtomicIntegerFieldUpdater
高并发累加器	LongAdder、LongAccumulator

例如计数器可以这样写：

AtomicInteger count = new AtomicInteger();
count.incrementAndGet();

它比 volatile int count; count++; 更安全，因为递增操作是原子的。

CAS 是什么

CAS 全称 Compare And Swap，比较并交换。

它包含三个值：

• 内存位置 V。
• 预期旧值 A。
• 准备写入的新值 B。

只有当 V 当前值等于 A 时，才把 V 更新为 B；否则说明其他线程改过了，本次更新失败。

CAS 是乐观锁思想：先不加锁，直接尝试更新；失败了再重试。

CAS 的优势和问题

CAS 的优势是避免阻塞线程，竞争不激烈时性能很好。

但它也有缺陷：

问题	说明
ABA 问题	值从 A 变成 B 又变回 A，CAS 看不出中间变化
自旋开销	竞争激烈时反复重试会消耗 CPU
单变量限制	普通 CAS 只能保证一个变量的原子更新

ABA 问题可以用版本号解决，例如 AtomicStampedReference。

Java 锁分类

Java 锁可以从多个维度分类。

分类维度	类型
是否阻塞	悲观锁、乐观锁
是否可重入	可重入锁、不可重入锁
是否公平	公平锁、非公平锁
是否共享	独占锁、共享锁
是否可中断	可中断锁、不可中断锁

synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入的独占锁。

synchronized 和 ReentrantLock 对比

能力	synchronized	ReentrantLock
实现方式	JVM 关键字	JUC 类
自动释放	支持，异常时自动释放	需要 finally 手动释放
可中断获取锁	不支持	支持
超时获取锁	不支持	支持
公平锁	不支持直接配置	支持公平/非公平
多条件队列	依赖 wait/notify	支持多个 Condition

如果只是简单临界区，synchronized 更简洁；如果需要超时、中断、公平锁、多个等待条件，ReentrantLock 更灵活。

AQS 是什么

AQS 全称 AbstractQueuedSynchronizer，队列同步器。它是很多 JUC 同步组件的基础。

基于 AQS 实现的组件包括：

• ReentrantLock
• ReentrantReadWriteLock
• Semaphore
• CountDownLatch
• FutureTask

AQS 的核心思想是：用一个 state 表示同步状态，用一个 FIFO 双向队列管理获取同步状态失败的线程。

AQS 同步队列

当线程获取锁失败时，会被包装成 Node 节点，加入 AQS 同步队列。

可以简化理解为：

head <-> Node(threadA) <-> Node(threadB) <-> tail

队列中的线程会按一定规则挂起和唤醒。锁释放后，AQS 会唤醒后继节点，让它重新竞争同步状态。

ReentrantLock 获取锁流程

ReentrantLock.lock() 最终会委托内部 Sync 对象获取锁。

简化流程：

1. 尝试用 CAS 把 state 从 0 改为 1。
2. 成功则当前线程成为锁持有者。
3. 如果锁已经被当前线程持有，则 state + 1，实现重入。
4. 如果获取失败，线程进入 AQS 队列。
5. 队列中的线程自旋判断自己是否有资格获取锁。
6. 不满足条件时通过 LockSupport.park() 挂起。

可重入的本质就是同一个线程再次获取锁时不阻塞，而是增加重入计数。

ReentrantLock 释放锁流程

释放锁时调用 unlock()，最终会减少 state。

简化流程：

1. 判断当前线程是否为锁持有者。
2. 如果不是，抛出异常。
3. 如果是，将 state 减 1。
4. 如果 state 还不为 0，说明只是释放了一层重入。
5. 如果 state 变为 0，锁完全释放。
6. 唤醒 AQS 队列中的后继线程。

使用 ReentrantLock 必须在 finally 中释放锁：

lock.lock();
try {
    // critical section
} finally {
    lock.unlock();
}

公平锁和非公平锁

公平锁会按照队列顺序获取锁，先来先得。非公平锁允许线程插队，直接尝试抢锁。

类型	优点	缺点
公平锁	等待时间更可控	吞吐量可能较低
非公平锁	吞吐量通常更高	可能出现线程等待更久

ReentrantLock 默认是非公平锁，因为它在多数场景下性能更好。

读写锁

ReentrantReadWriteLock 把锁分成读锁和写锁。

• 多个读线程可以同时持有读锁。
• 写线程持有写锁时，其他读写线程都要等待。

适合读多写少的场景，比如配置缓存、路由表、规则表等。

小结

JUC 的核心可以这样串起来：

1. Atomic 原子类依赖 CAS 实现无锁更新。
2. CAS 适合低竞争场景，但有 ABA 和自旋开销问题。
3. Lock 提供比 synchronized 更灵活的锁能力。
4. AQS 用 state 和 FIFO 队列抽象同步器。
5. ReentrantLock 是理解 AQS 的最佳入口。

掌握 AQS 后，再看 CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等工具，就会发现它们只是同步状态和队列规则不同。