多线程编程核心

在前面，我们了解了多线程的底层运作机制，我们终于知道，原来多线程环境下存在着如此之多的问题。在JDK5之前，我们只能选择synchronized关键字来实现锁，而JDK5之后，由于volatile关键字得到了升级（具体功能就是上一章所描述的），所以并发框架包便出现了，相比传统的synchronized关键字，我们对于锁的实现，有了更多的选择。

Doug Lea — JUC并发包的作者

如果IT的历史，是以人为主体串接起来的话，那么肯定少不了Doug Lea。这个鼻梁挂着眼镜，留着德王威廉二世的胡子，脸上永远挂着谦逊腼腆笑容，服务于纽约州立大学Oswego分校计算机科学系的老大爷。

说他是这个世界上对Java影响力最大的一个人，一点也不为过。因为两次Java历史上的大变革，他都间接或直接的扮演了举足轻重的角色。2004年所推出的Tiger。Tiger广纳了15项JSRs(Java Specification Requests)的语法及标准，其中一项便是JSR-166。JSR-166是来自于Doug编写的util.concurrent包。

那么，从这章开始，就让我们来感受一下，JUC为我们带来了什么。

锁框架

在JDK 5之后，并发包中新增了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，Lock接口提供了与synchronized关键字类似的同步功能，但需要在使用时手动获取锁和释放锁。

Lock和Condition接口

使用并发包中的锁和我们传统的synchronized锁不太一样，这里的锁我们可以认为是一把真正意义上的锁，每个锁都是一个对应的锁对象，我只需要向锁对象获取锁或是释放锁即可。我们首先来看看，此接口中定义了什么：

public interface Lock {
      //获取锁，拿不到锁会阻塞，等待其他线程释放锁，获取到锁后返回
    void lock();
      //同上，但是等待过程中会响应中断
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
      //尝试获取锁，但是不会阻塞，如果能获取到会返回true，不能返回false
    boolean tryLock();
      //尝试获取锁，但是可以限定超时时间，如果超出时间还没拿到锁返回false，否则返回true，可以响应中断
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
      //释放锁
    void unlock();
      //暂时可以理解为替代传统的Object的wait()、notify()等操作的工具
    Condition newCondition();
}

这里我们可以演示一下，如何使用Lock类来进行加锁和释放锁操作：

public class Main {
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Lock testLock = new ReentrantLock();   //可重入锁ReentrantLock类是Lock类的一个实现，我们后面会进行介绍
        Runnable action = () -> {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) {   //还是以自增操作为例
                testLock.lock();    //加锁，加锁成功后其他线程如果也要获取锁，会阻塞，等待当前线程释放
                i++;
                testLock.unlock();  //解锁，释放锁之后其他线程就可以获取这把锁了（注意在这之前一定得加锁，不然报错）
            }
        };
        new Thread(action).start();
        new Thread(action).start();
        Thread.sleep(1000);   //等上面两个线程跑完
        System.out.println(i);
    }
}

可以看到，和我们之前使用synchronized相比，我们这里是真正在操作一个”锁”对象，当我们需要加锁时，只需要调用lock()方法，而需要释放锁时，只需要调用unlock()方法。程序运行的最终结果和使用synchronized锁是一样的。

那么，我们如何像传统的加锁那样，调用对象的wait()和notify()方法呢，并发包提供了Condition接口：

public interface Condition {
      //与调用锁对象的wait方法一样，会进入到等待状态，但是这里需要调用Condition的signal或signalAll方法进行唤醒（感觉就是和普通对象的wait和notify是对应的）同时，等待状态下是可以响应中断的
         void await() throws InterruptedException;
      //同上，但不响应中断（看名字都能猜到）
      void awaitUninterruptibly();
      //等待指定时间，如果在指定时间（纳秒）内被唤醒，会返回剩余时间，如果超时，会返回0或负数，可以响应中断
      long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
      //等待指定时间（可以指定时间单位），如果等待时间内被唤醒，返回true，否则返回false，可以响应中断
      boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
      //可以指定一个明确的时间点，如果在时间点之前被唤醒，返回true，否则返回false，可以响应中断
      boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
      //唤醒一个处于等待状态的线程，注意还得获得锁才能接着运行
      void signal();
      //同上，但是是唤醒所有等待线程
      void signalAll();
}

这里我们通过一个简单的例子来演示一下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Lock testLock = new ReentrantLock();
    Condition condition = testLock.newCondition();
    new Thread(() -> {
        testLock.lock();   //和synchronized一样，必须持有锁的情况下才能使用await
        System.out.println("线程1进入等待状态！");
        try {
            condition.await();   //进入等待状态
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程1等待结束！");
        testLock.unlock();
    }).start();
    Thread.sleep(100); //防止线程2先跑
    new Thread(() -> {
        testLock.lock();
        System.out.println("线程2开始唤醒其他等待线程");
        condition.signal();   //唤醒线程1，但是此时线程1还必须要拿到锁才能继续运行
        System.out.println("线程2结束");
        testLock.unlock();   //这里释放锁之后，线程1就可以拿到锁继续运行了
    }).start();
}

可以发现，Condition对象使用方法和传统的对象使用差别不是很大。

思考：下面这种情况跟上面有什么不同？

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Lock testLock = new ReentrantLock();
    new Thread(() -> {
        testLock.lock();
        System.out.println("线程1进入等待状态！");
        try {
            testLock.newCondition().await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程1等待结束！");
        testLock.unlock();
    }).start();
    Thread.sleep(100);
    new Thread(() -> {
        testLock.lock();
        System.out.println("线程2开始唤醒其他等待线程");
        testLock.newCondition().signal();
        System.out.println("线程2结束");
        testLock.unlock();
    }).start();
}

通过分析可以得到，在调用newCondition()后，会生成一个新的Condition对象，并且同一把锁内是可以存在多个Condition对象的（实际上原始的锁机制等待队列只能有一个，而这里可以创建很多个Condition来实现多等待队列），而上面的例子中，实际上使用的是不同的Condition对象，只有对同一个Condition对象进行等待和唤醒操作才会有效，而不同的Condition对象是分开计算的。

最后我们再来讲解一下时间单位，这是一个枚举类，也是位于java.util.concurrent包下：

public enum TimeUnit {
    /**
     * Time unit representing one thousandth of a microsecond
     */
    NANOSECONDS {
        public long toNanos(long d)   { return d; }
        public long toMicros(long d)  { return d/(C1/C0); }
        public long toMillis(long d)  { return d/(C2/C0); }
        public long toSeconds(long d) { return d/(C3/C0); }
        public long toMinutes(long d) { return d/(C4/C0); }
        public long toHours(long d)   { return d/(C5/C0); }
        public long toDays(long d)    { return d/(C6/C0); }
        public long convert(long d, TimeUnit u) { return u.toNanos(d); }
        int excessNanos(long d, long m) { return (int)(d - (m*C2)); }
    },
      //....

可以看到时间单位有很多的，比如DAY、SECONDS、MINUTES等，我们可以直接将其作为时间单位，比如我们要让一个线程等待3秒钟，可以像下面这样编写：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Lock testLock = new ReentrantLock();
    new Thread(() -> {
        testLock.lock();
        try {
            System.out.println("等待是否未超时："+testLock.newCondition().await(1, TimeUnit.SECONDS));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        testLock.unlock();
    }).start();
}

当然，Lock类的tryLock方法也是支持使用时间单位的，各位可以自行进行测试。TimeUnit除了可以作为时间单位表示以外，还可以在不同单位之间相互转换：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println("60秒 = "+TimeUnit.SECONDS.toMinutes(60) +"分钟");
    System.out.println("365天 = "+TimeUnit.DAYS.toSeconds(365) +" 秒");
}

也可以更加便捷地使用对象的wait()方法：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    synchronized (Main.class) {
        System.out.println("开始等待");
        TimeUnit.SECONDS.timedWait(Main.class, 3);   //直接等待3秒
        System.out.println("等待结束");
    }
}

我们也可以直接使用它来进行休眠操作：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);  //休眠1秒钟
}

可重入锁

前面，我们讲解了锁框架的两个核心接口，那么我们接着来看看锁接口的具体实现类，我们前面用到了ReentrantLock，它其实是锁的一种，叫做可重入锁，那么这个可重入代表的是什么意思呢？简单来说，就是同一个线程，可以反复进行加锁操作：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    lock.lock();
    lock.lock();   //连续加锁2次
    new Thread(() -> {
        System.out.println("线程2想要获取锁");
        lock.lock();
        System.out.println("线程2成功获取到锁");
    }).start();
    lock.unlock();
    System.out.println("线程1释放了一次锁");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    lock.unlock();
    System.out.println("线程1再次释放了一次锁");  //释放两次后其他线程才能加锁
}

可以看到，主线程连续进行了两次加锁操作（此操作是不会被阻塞的），在当前线程持有锁的情况下继续加锁不会被阻塞，并且，加锁几次，就必须要解锁几次，否则此线程依旧持有锁。我们可以使用getHoldCount()方法查看当前线程的加锁次数：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    lock.lock();
    lock.lock();
    System.out.println("当前加锁次数："+lock.getHoldCount()+"，是否被锁："+lock.isLocked());
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    lock.unlock();
    System.out.println("当前加锁次数："+lock.getHoldCount()+"，是否被锁："+lock.isLocked());
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    lock.unlock();
    System.out.println("当前加锁次数："+lock.getHoldCount()+"，是否被锁："+lock.isLocked());
}

可以看到，当锁不再被任何线程持有时，值为0，并且通过isLocked()方法查询结果为false。

实际上，如果存在线程持有当前的锁，那么其他线程在获取锁时，是会暂时进入到等待队列的，我们可以通过getQueueLength()方法获取等待中线程数量的预估值：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    lock.lock();
    Thread t1 = new Thread(lock::lock), t2 = new Thread(lock::lock);;
    t1.start();
    t2.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    System.out.println("当前等待锁释放的线程数："+lock.getQueueLength());
    System.out.println("线程1是否在等待队列中："+lock.hasQueuedThread(t1));
    System.out.println("线程2是否在等待队列中："+lock.hasQueuedThread(t2));
    System.out.println("当前线程是否在等待队列中："+lock.hasQueuedThread(Thread.currentThread()));
}

我们可以通过hasQueuedThread()方法来判断某个线程是否正在等待获取锁状态。

同样的，Condition也可以进行判断：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    new Thread(() -> {
       lock.lock();
        try {
            condition.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        lock.unlock();
    }).start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    lock.lock();
    System.out.println("当前Condition的等待线程数："+lock.getWaitQueueLength(condition));
    condition.signal();
    System.out.println("当前Condition的等待线程数："+lock.getWaitQueueLength(condition));
    lock.unlock();
}

通过使用getWaitQueueLength()方法能够查看同一个Condition目前有多少线程处于等待状态。

公平锁与非公平锁

前面我们了解了如果线程之间争抢同一把锁，会暂时进入到等待队列中，那么多个线程获得锁的顺序是不是一定是根据线程调用lock()方法时间来定的呢，我们可以看到，ReentrantLock的构造方法中，是这样写的：

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();   //看名字貌似是非公平的
}

其实锁分为公平锁和非公平锁，默认我们创建出来的ReentrantLock是采用的非公平锁作为底层锁机制。那么什么是公平锁什么又是非公平锁呢？

• 公平锁：多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，线程会直接进入队列去排队，永远都是队列的第一位才能得到锁。
• 非公平锁：多个线程去获取锁的时候，会直接去尝试获取，获取不到，再去进入等待队列，如果能获取到，就直接获取到锁。

简单来说，公平锁不让插队，都老老实实排着；非公平锁让插队，但是排队的人让不让你插队就是另一回事了。

我们可以来测试一下公平锁和非公平锁的表现情况：

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

这里我们选择使用第二个构造方法，可以选择是否为公平锁实现：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
    Runnable action = () -> {
        System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 开始获取锁...");
        lock.lock();
        System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 成功获取锁！");
        lock.unlock();
    };
    for (int i = 0; i < 10; i++) {   //建立10个线程
        new Thread(action, "T"+i).start();
    }
}

这里我们只需要对比将在1秒后开始获取锁...和成功获取锁！的顺序是否一致即可，如果是一致，那说明所有的线程都是按顺序排队获取的锁，如果不是，那说明肯定是有线程插队了。

运行结果可以发现，在公平模式下，确实是按照顺序进行的，而在非公平模式下，一般会出现这种情况：线程刚开始获取锁马上就能抢到，并且此时之前早就开始的线程还在等待状态，很明显的插队行为。

那么，接着下一个问题，公平锁在任何情况下都一定是公平的吗？有关这个问题，我们会留到队列同步器中再进行讨论。

读写锁

除了可重入锁之外，还有一种类型的锁叫做读写锁，当然它并不是专门用作读写操作的锁，它和可重入锁不同的地方在于，可重入锁是一种排他锁，当一个线程得到锁之后，另一个线程必须等待其释放锁，否则一律不允许获取到锁。而读写锁在同一时间，是可以让多个线程获取到锁的，它其实就是针对于读写场景而出现的。

读写锁维护了一个读锁和一个写锁，这两个锁的机制是不同的。

• 读锁：在没有任何线程占用写锁的情况下，同一时间可以有多个线程加读锁。
• 写锁：在没有任何线程占用读锁的情况下，同一时间只能有一个线程加写锁。

读写锁也有一个专门的接口：

public interface ReadWriteLock {
    //获取读锁
    Lock readLock();
      //获取写锁
    Lock writeLock();
}

此接口有一个实现类ReentrantReadWriteLock（实现的是ReadWriteLock接口，不是Lock接口，它本身并不是锁），注意我们操作ReentrantReadWriteLock时，不能直接上锁，而是需要获取读锁或是写锁，再进行锁操作：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    new Thread(lock.readLock()::lock).start();
}

这里我们对读锁加锁，可以看到可以多个线程同时对读锁加锁。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    new Thread(lock.writeLock()::lock).start();
}

有读锁状态下无法加写锁，反之亦然：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    new Thread(lock.readLock()::lock).start();
}

并且，ReentrantReadWriteLock不仅具有读写锁的功能，还保留了可重入锁和公平/非公平机制，比如同一个线程可以重复为写锁加锁，并且必须全部解锁才真正释放锁：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    lock.writeLock().lock();
    new Thread(() -> {
        lock.writeLock().lock();
        System.out.println("成功获取到写锁！");
    }).start();
    System.out.println("释放第一层锁！");
    lock.writeLock().unlock();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    System.out.println("释放第二层锁！");
    lock.writeLock().unlock();
}

通过之前的例子来验证公平和非公平：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true);
    Runnable action = () -> {
        System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 将在1秒后开始获取锁...");
        lock.writeLock().lock();
        System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 成功获取锁！");
        lock.writeLock().unlock();
    };
    for (int i = 0; i < 10; i++) {   //建立10个线程
        new Thread(action, "T"+i).start();
    }
}

可以看到，结果是一致的。

锁降级和锁升级

锁降级指的是写锁降级为读锁。当一个线程持有写锁的情况下，虽然其他线程不能加读锁，但是线程自己是可以加读锁的：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    lock.readLock().lock();
    System.out.println("成功加读锁！");
}

那么，如果我们在同时加了写锁和读锁的情况下，释放写锁，是否其他的线程就可以一起加读锁了呢？

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    lock.readLock().lock();
    new Thread(() -> {
        System.out.println("开始加读锁！");
        lock.readLock().lock();
        System.out.println("读锁添加成功！");
    }).start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    lock.writeLock().unlock();    //如果释放写锁，会怎么样？
}

可以看到，一旦写锁被释放，那么主线程就只剩下读锁了，因为读锁可以被多个线程共享，所以这时第二个线程也添加了读锁。而这种操作，就被称之为”锁降级”（注意不是先释放写锁再加读锁，而是持有写锁的情况下申请读锁再释放写锁）

注意在仅持有读锁的情况下去申请写锁，属于”锁升级”，ReentrantReadWriteLock是不支持的：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    lock.writeLock().lock();
    System.out.println("所升级成功！");
}

可以看到线程直接卡在加写锁的那一句了。

队列同步器AQS

注意：难度巨大，如果对锁的使用不是很熟悉建议之后再来看！

前面我们了解了可重入锁和读写锁，那么它们的底层实现原理到底是什么样的呢？又是大家看到就想跳过的套娃解析环节。

比如我们执行了ReentrantLock的lock()方法，那它的内部是怎么在执行的呢？

public void lock() {
    sync.lock();
}

可以看到，它的内部实际上啥都没做，而是交给了Sync对象在进行，并且，不只是这个方法，其他的很多方法都是依靠Sync对象在进行：

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

那么这个Sync对象是干什么的呢？可以看到，公平锁和非公平锁都是继承自Sync，而Sync是继承自AbstractQueuedSynchronizer，简称队列同步器：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   //...
}
static final class NonfairSync extends Sync {}
static final class FairSync extends Sync {}

所以，要了解它的底层到底是如何进行操作的，还得看队列同步器，我们就先从这里下手吧！

底层实现

AbstractQueuedSynchronizer（下面称为AQS）是实现锁机制的基础，它的内部封装了包括锁的获取、释放、以及等待队列。

一个锁（排他锁为例）的基本功能就是获取锁、释放锁、当锁被占用时，其他线程来争抢会进入等待队列，AQS已经将这些基本的功能封装完成了，其中等待队列是核心内容，等待队列是由双向链表数据结构实现的，每个等待状态下的线程都可以被封装进结点中并放入双向链表中，而对于双向链表是以队列的形式进行操作的，它像这样：

AQS中有一个head字段和一个tail字段分别记录双向链表的头结点和尾结点，而之后的一系列操作都是围绕此队列来进行的。我们先来了解一下每个结点都包含了哪些内容：

//每个处于等待状态的线程都可以是一个节点，并且每个节点是有很多状态的
static final class Node {
      //每个节点都可以被分为独占模式节点或是共享模式节点，分别适用于独占锁和共享锁
    static final Node SHARED = new Node();
    static final Node EXCLUSIVE = null;
      //等待状态，这里都定义好了
       //唯一一个大于0的状态，表示已失效，可能是由于超时或中断，此节点被取消。
    static final int CANCELLED =  1;
      //此节点后面的节点被挂起（进入等待状态）
    static final int SIGNAL    = -1;    
      //在条件队列中的节点才是这个状态
    static final int CONDITION = -2;
      //传播，一般用于共享锁
    static final int PROPAGATE = -3;
    volatile int waitStatus;    //等待状态值
    volatile Node prev;   //双向链表基操
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;   //每一个线程都可以被封装进一个节点进入到等待队列
    Node nextWaiter;   //在等待队列中表示模式，条件队列中作为下一个结点的指针
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
    Node() {
    }
    Node(Thread thread, Node mode) {
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    Node(Thread thread, int waitStatus) {
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

在一开始的时候，head和tail都是null，state为默认值0：

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;

不用担心双向链表不会进行初始化，初始化是在实际使用时才开始的，先不管，我们接着来看其他的初始化内容：

//直接使用Unsafe类进行操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//记录类中属性的在内存中的偏移地址，方便Unsafe类直接操作内存进行赋值等（直接修改对应地址的内存）
private static final long stateOffset;   //这里对应的就是AQS类中的state成员字段
private static final long headOffset;    //这里对应的就是AQS类中的head头结点成员字段
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;
static {   //静态代码块，在类加载的时候就会自动获取偏移地址
    try {
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
        headOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("next"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//通过CAS操作来修改头结点
private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
      //调用的是Unsafe类的compareAndSwapObject方法，通过CAS算法比较对象并替换
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}
//同上，省略部分代码
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node, int expect, int update) {
private static final boolean compareAndSetNext(Node node, Node expect, Node update) {

可以发现，队列同步器由于要使用到CAS算法，所以，直接使用了Unsafe工具类，Unsafe类中提供了CAS操作的方法（Java无法实现，底层由C++实现）所有对AQS类中成员字段的修改，都有对应的CAS操作封装。

现在我们大致了解了一下它的底层运作机制，我们接着来看这个类是如何进行使用的，它提供了一些可重写的方法（根据不同的锁类型和机制，可以自由定制规则，并且为独占式和非独占式锁都提供了对应的方法），以及一些已经写好的模板方法（模板方法会调用这些可重写的方法），使用此类只需要将可重写的方法进行重写，并调用提供的模板方法，从而实现锁功能（学习过设计模式会比较好理解一些）

我们首先来看可重写方法：

//独占式获取同步状态，查看同步状态是否和参数一致，如果返没有问题，那么会使用CAS操作设置同步状态并返回true
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
//独占式释放同步状态
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享式获取同步状态，返回值大于0表示成功，否则失败
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享式释放同步状态
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
//是否在独占模式下被当前线程占用（锁是否被当前线程持有）
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

可以看到，这些需要重写的方法默认是直接抛出UnsupportedOperationException，也就是说根据不同的锁类型，我们需要去实现对应的方法，我们可以来看一下ReentrantLock（此类是全局独占式的）中的公平锁是如何借助AQS实现的：

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
      //加锁操作调用了模板方法acquire
      //为了防止各位绕晕，请时刻记住，lock方法一定是在某个线程下为了加锁而调用的，并且同一时间可能会有其他线程也在调用此方法
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    ...
}

我们先看看加锁操作干了什么事情，这里直接调用了AQS提供的模板方法acquire()，我们来看看它在AQS类中的实现细节：

@ReservedStackAccess //这个是JEP 270添加的新注解，它会保护被注解的方法，通过添加一些额外的空间，防止在多线程运行的时候出现栈溢出，下同
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))   //节点为独占模式Node.EXCLUSIVE
        selfInterrupt();
}

首先会调用tryAcquire()方法（这里是由FairSync类实现的），如果尝试加独占锁失败（返回false了）说明可能这个时候有其他线程持有了此独占锁，所以当前线程得先等着，那么会调用addWaiter()方法将线程加入等待队列中：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 先尝试使用CAS直接入队，如果这个时候其他线程也在入队（就是不止一个线程在同一时间争抢这把锁）就进入enq()
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
      //此方法是CAS快速入队失败时调用
    enq(node);
    return node;
}
private Node enq(final Node node) {
      //自旋形式入队，可以看到这里是一个无限循环
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {  //这种情况只能说明头结点和尾结点都还没初始化
            if (compareAndSetHead(new Node()))   //初始化头结点和尾结点
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;   //只有CAS成功的情况下，才算入队成功，如果CAS失败，那说明其他线程同一时间也在入队，并且手速还比当前线程快，刚好走到CAS操作的时候，其他线程就先入队了，那么这个时候node.prev就不是我们预期的节点了，而是另一个线程新入队的节点，所以说得进下一次循环再来一次CAS，这种形式就是自旋
            }
        }
    }
}

在了解了addWaiter()方法会将节点加入等待队列之后，我们接着来看，addWaiter()会返回已经加入的节点，acquireQueued()在得到返回的节点时，也会进入自旋状态，等待唤醒（也就是开始进入到拿锁的环节了）：

@ReservedStackAccess
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {   //可以看到当此节点位于队首(node.prev == head)时，会再次调用tryAcquire方法获取锁，如果获取成功，会返回此过程中是否被中断的值
                setHead(node);    //新的头结点设置为当前结点
                p.next = null; // 原有的头结点没有存在的意义了
                failed = false;   //没有失败
                return interrupted;   //直接返回等待过程中是否被中断
            }    
              //依然没获取成功，
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&   //将当前节点的前驱节点等待状态设置为SIGNAL，如果失败将直接开启下一轮循环，直到成功为止，如果成功接着往下
                parkAndCheckInterrupt())   //挂起线程进入等待状态，等待被唤醒，如果在等待状态下被中断，那么会返回true，直接将中断标志设为true，否则就是正常唤醒，继续自旋
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);   //通过unsafe类操作底层挂起线程（会直接进入阻塞状态）
    return Thread.interrupted();
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;   //已经是SIGNAL，直接true
    if (ws > 0) {   //不能是已经取消的节点，必须找到一个没被取消的
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;   //直接抛弃被取消的节点
    } else {
        //不是SIGNAL，先CAS设置为SIGNAL（这里没有返回true因为CAS不一定成功，需要下一轮再判断一次）
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;   //返回false，马上开启下一轮循环
}

所以，acquire()中的if条件如果为true，那么只有一种情况，就是等待过程中被中断了，其他任何情况下都是成功获取到独占锁，所以当等待过程被中断时，会调用selfInterrupt()方法：

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

这里就是直接向当前线程发送中断信号了。

上面提到了LockSupport类，它是一个工具类，我们也可以来玩一下这个park和unpark:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = Thread.currentThread();  //先拿到主线程的Thread对象
    new Thread(() -> {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("主线程可以继续运行了！");
            LockSupport.unpark(t);
              //t.interrupt();   发送中断信号也可以恢复运行
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
    System.out.println("主线程被挂起！");
    LockSupport.park();
    System.out.println("主线程继续运行！");
}

这里我们就把公平锁的lock()方法实现讲解完毕了（让我猜猜，已经晕了对吧，越是到源码越考验个人的基础知识掌握，基础不牢地动山摇）接着我们来看公平锁的tryAcquire()方法：

static final class FairSync extends Sync {
      //可重入独占锁的公平实现
    @ReservedStackAccess
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();   //先获取当前线程的Thread对象
        int c = getState();     //获取当前AQS对象状态（独占模式下0为未占用，大于0表示已占用）
        if (c == 0) {       //如果是0，那就表示没有占用，现在我们的线程就要来尝试占用它
            if (!hasQueuedPredecessors() &&    //等待队列是否不为空且当前线程没有拿到锁，其实就是看看当前线程有没有必要进行排队，如果没必要排队，就说明可以直接获取锁
                compareAndSetState(0, acquires)) {   //CAS设置状态，如果成功则说明成功拿到了这把锁，失败则说明可能这个时候其他线程在争抢，并且还比你先抢到
                setExclusiveOwnerThread(current);    //成功拿到锁，会将独占模式所有者线程设定为当前线程（这个方法是父类AbstractOwnableSynchronizer中的，就表示当前这把锁已经是这个线程的了）
                return true;   //占用锁成功，返回true
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {   //如果不是0，那就表示被线程占用了，这个时候看看是不是自己占用的，如果是，由于是可重入锁，可以继续加锁
            int nextc = c + acquires;    //多次加锁会将状态值进行增加，状态值就是加锁次数
            if (nextc < 0)   //加到int值溢出了？
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);   //设置为新的加锁次数
            return true;
        }
        return false;   //其他任何情况都是加锁失败
    }
}

在了解了公平锁的实现之后，是不是感觉有点恍然大悟的感觉，虽然整个过程非常复杂，但是只要理清思路，还是比较简单的。

加锁过程已经OK，我们接着来看，它的解锁过程，unlock()方法是在AQS中实现的：

public void unlock() {
    sync.release(1);    //直接调用了AQS中的release方法，参数为1表示解锁一次state值-1
}

@ReservedStackAccess
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {   //和tryAcquire一样，也得子类去重写，释放锁操作
        Node h = head;    //释放锁成功后，获取新的头结点
        if (h != null && h.waitStatus != 0)   //如果新的头结点不为空并且不是刚刚建立的结点（初始状态下status为默认值0，而上面在进行了shouldParkAfterFailedAcquire之后，会被设定为SIGNAL状态，值为-1）
            unparkSuccessor(h);   //唤醒头节点下一个节点中的线程
        return true;
    }
    return false;
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 将等待状态waitStatus设置为初始值0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //获取下一个结点
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {   //如果下一个结点为空或是等待状态是已取消，那肯定是不能通知unpark的，这时就要遍历所有节点再另外找一个符合unpark要求的节点了
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)   //这里是从队尾向前，因为enq()方法中的t.next = node是在CAS之后进行的，而 node.prev = t 是CAS之前进行的，所以从后往前一定能够保证遍历所有节点
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)   //要是找到了，就直接unpark，要是还是没找到，那就算了
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

那么我们来看看tryRelease()方法是怎么实现的，具体实现在Sync中：

@ReservedStackAccess
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;   //先计算本次解锁之后的状态值
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())   //因为是独占锁，那肯定这把锁得是当前线程持有才行
        throw new IllegalMonitorStateException();   //否则直接抛异常
    boolean free = false;
    if (c == 0) {  //如果解锁之后的值为0，表示已经完全释放此锁
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);  //将独占锁持有线程设置为null
    }
    setState(c);   //状态值设定为c
    return free;  //如果不是0表示此锁还没完全释放，返回false，是0就返回true
}

综上，我们来画一个完整的流程图：

这里我们只讲解了公平锁，有关非公平锁和读写锁，还请各位观众根据我们之前的思路，自行解读。

公平锁一定公平吗？

前面我们讲解了公平锁的实现原理，那么，我们尝试分析一下，在并发的情况下，公平锁一定公平吗？

我们再次来回顾一下tryAcquire()方法的实现：

@ReservedStackAccess
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() &&   //注意这里，公平锁的机制是，一开始会查看是否有节点处于等待
            compareAndSetState(0, acquires)) {   //如果前面的方法执行后发现没有等待节点，就直接进入占锁环节了
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

所以hasQueuedPredecessors()这个环节容不得半点闪失，否则会直接破坏掉公平性，假如现在出现了这样的情况：

线程1已经持有锁了，这时线程2来争抢这把锁，走到hasQueuedPredecessors()，判断出为 false，线程2继续运行，然后线程2肯定获取锁失败（因为锁这时是被线程1占有的），因此就进入到等待队列中：

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 线程2进来之后，肯定是要先走这里的，因为head和tail都是null
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;   //这里就将tail直接等于head了，注意这里完了之后还没完，这里只是初始化过程
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {   //由于一开始head和tail都是null，所以线程2直接就进enq()了
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);   //请看上面
    return node;
}

而碰巧不巧，这个时候线程3也来抢锁了，按照正常流程走到了hasQueuedPredecessors()方法，而在此方法中：

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
    Node h = head;
    Node s;
      //这里直接判断h != t，而此时线程2才刚刚执行完 tail = head，所以直接就返回false了
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

因此，线程3这时就紧接着准备开始CAS操作了，又碰巧，这时线程1释放锁了，现在的情况就是，线程3直接开始CAS判断，而线程2还在插入节点状态，结果可想而知，居然是线程3先拿到了锁，这显然是违背了公平锁的公平机制。

一张图就是：

因此公不公平全看hasQueuedPredecessors()，而此方法只有在等待队列中存在节点时才能保证不会出现问题。所以公平锁，只有在等待队列存在节点时，才是真正公平的。

Condition实现原理

通过前面的学习，我们知道Condition类实际上就是用于代替传统对象的wait/notify操作的，同样可以实现等待/通知模式，并且同一把锁下可以创建多个Condition对象。那么我们接着来看看，它又是如何实现的呢，我们先从单个Condition对象进行分析：

在AQS中，Condition有一个实现类ConditionObject，而这里也是使用了链表实现了条件队列：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** 条件队列的头结点 */
    private transient Node firstWaiter;
    /** 条件队列的尾结点 */
    private transient Node lastWaiter;
      //...

这里是直接使用了AQS中的Node类，但是使用的是Node类中的nextWaiter字段连接节点，并且Node的status为CONDITION：

我们知道，当一个线程调用await()方法时，会进入等待状态，直到其他线程调用signal()方法将其唤醒，而这里的条件队列，正是用于存储这些处于等待状态的线程。

我们先来看看最关键的await()方法是如何实现的，为了防止一会绕晕，在开始之前，我们先明确此方法的目标：

• 只有已经持有锁的线程才可以使用此方法
• 当调用此方法后，会直接释放锁，无论加了多少次锁
• 只有其他线程调用signal()或是被中断时才会唤醒等待中的线程
• 被唤醒后，需要等待其他线程释放锁，拿到锁之后才可以继续执行，并且会恢复到之前的状态（await之前加了几层锁唤醒后依然是几层锁）

好了，差不多可以上源码了：

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();   //如果在调用await之前就被添加了中断标记，那么会直接抛出中断异常
    Node node = addConditionWaiter();    //为当前线程创建一个新的节点，并将其加入到条件队列中
    int savedState = fullyRelease(node);    //完全释放当前线程持有的锁，并且保存一下state值，因为唤醒之后还得恢复
    int interruptMode = 0;     //用于保存中断状态
    while (!isOnSyncQueue(node)) {   //循环判断是否位于同步队列中，如果等待状态下的线程被其他线程唤醒，那么会正常进入到AQS的等待队列中（之后我们会讲）
        LockSupport.park(this);   //如果依然处于等待状态，那么继续挂起
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)   //看看等待的时候是不是被中断了
            break;
    }
      //出了循环之后，那线程肯定是已经醒了，这时就差拿到锁就可以恢复运行了
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)  //直接开始acquireQueued尝试拿锁（之前已经讲过了）从这里开始基本就和一个线程去抢锁是一样的了
        interruptMode = REINTERRUPT;
      //已经拿到锁了，基本可以开始继续运行了，这里再进行一下后期清理工作
    if (node.nextWaiter != null) 
        unlinkCancelledWaiters();  //将等待队列中，不是Node.CONDITION状态的节点移除
    if (interruptMode != 0)   //依然是响应中断
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
      //OK，接着该干嘛干嘛
}

实际上await()方法比较中规中矩，大部分操作也在我们的意料之中，那么我们接着来看signal()方法是如何实现的，同样的，为了防止各位绕晕，先明确signal的目标：

• 只有持有锁的线程才能唤醒锁所属的Condition等待的线程
• 优先唤醒条件队列中的第一个，如果唤醒过程中出现问题，接着找往下找，直到找到一个可以唤醒的
• 唤醒操作本质上是将条件队列中的结点直接丢进AQS等待队列中，让其参与到锁的竞争中
• 拿到锁之后，线程才能恢复运行

好了，上源码：

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())    //先看看当前线程是不是持有锁的状态
        throw new IllegalMonitorStateException();   //不是？那你不配唤醒别人
    Node first = firstWaiter;    //获取条件队列的第一个结点
    if (first != null)    //如果队列不为空，获取到了，那么就可以开始唤醒操作
        doSignal(first);
}

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)   //如果当前节点在本轮循环没有后继节点了，条件队列就为空了
            lastWaiter = null;   //所以这里相当于是直接清空
        first.nextWaiter = null;   //将给定节点的下一个结点设置为null，因为当前结点马上就会离开条件队列了
    } while (!transferForSignal(first) &&   //接着往下看
             (first = firstWaiter) != null);   //能走到这里只能说明给定节点被设定为了取消状态，那就继续看下一个结点
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    /*
     * 如果这里CAS失败，那有可能此节点被设定为了取消状态
     */
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;
    //CAS成功之后，结点的等待状态就变成了默认值0，接着通过enq方法直接将节点丢进AQS的等待队列中，相当于唤醒并且可以等待获取锁了
      //这里enq方法返回的是加入之后等待队列队尾的前驱节点，就是原来的tail
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;   //保存前驱结点的等待状态
      //如果上一个节点的状态为取消, 或者尝试设置上一个节点的状态为SIGNAL失败（可能是在ws>0判断完之后马上变成了取消状态，导致CAS失败）
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);  //直接唤醒线程
    return true;
}

其实最让人不理解的就是倒数第二行，明明上面都正常进入到AQS等待队列了，应该是可以开始走正常流程了，那么这里为什么还要提前来一次unpark呢？

这里其实是为了进行优化而编写，直接unpark会有两种情况：

• 如果插入结点前，AQS等待队列的队尾节点就已经被取消，则满足wc > 0
• 如果插入node后，AQS内部等待队列的队尾节点已经稳定，满足tail.waitStatus == 0，但在执行ws >
  0之后!compareAndSetWaitStatus(p, ws,
  Node.SIGNAL)之前被取消，则CAS也会失败，满足compareAndSetWaitStatus(p, ws,
  Node.SIGNAL) == false

如果这里被提前unpark，那么在await()方法中将可以被直接唤醒，并跳出while循环，直接开始争抢锁，因为前一个等待结点是被取消的状态，没有必要再等它了。

所以，大致流程下：

只要把整个流程理清楚，还是很好理解的。

自行实现锁类

既然前面了解了那么多AQS的功能，那么我就仿照着这些锁类来实现一个简单的锁：

• 要求：同一时间只能有一个线程持有锁，不要求可重入（反复加锁无视即可）

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    }
    /**
     * 自行实现一个最普通的独占锁
     * 要求：同一时间只能有一个线程持有锁，不要求可重入
     */
    private static class MyLock implements Lock {
        /**
         * 设计思路：
         * 1. 锁被占用，那么exclusiveOwnerThread应该被记录，并且state = 1
         * 2. 锁没有被占用，那么exclusiveOwnerThread为null，并且state = 0
         */
        private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
            @Override
            protected boolean tryAcquire(int arg) {
                if(isHeldExclusively()) return true;     //无需可重入功能，如果是当前线程直接返回true
                if(compareAndSetState(0, arg)){    //CAS操作进行状态替换
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());    //成功后设置当前的所有者线程
                    return true;
                }
                return false;
            }
            @Override
            protected boolean tryRelease(int arg) {
                if(getState() == 0)
                    throw new IllegalMonitorStateException();   //没加锁情况下是不能直接解锁的
                if(isHeldExclusively()){     //只有持有锁的线程才能解锁
                    setExclusiveOwnerThread(null);    //设置所有者线程为null
                    setState(0);    //状态变为0
                    return true;
                }
                return false;
            }
            @Override
            protected boolean isHeldExclusively() {
                return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
            }
            protected Condition newCondition(){
                return new ConditionObject();    //直接用现成的
            }
        }
        private final Sync sync = new Sync();
        @Override
        public void lock() {
            sync.acquire(1);
        }
        @Override
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
            sync.acquireInterruptibly(1);
        }
        @Override
        public boolean tryLock() {
            return sync.tryAcquire(1);
        }
        @Override
        public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
            return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
        }
        @Override
        public void unlock() {
            sync.release(1);
        }
        @Override
        public Condition newCondition() {
            return sync.newCondition();
        }
    }
}

到这里，我们对应队列同步器AQS的讲解就先到此为止了，当然，AQS的全部机制并非仅仅只有我们讲解的内容，一些我们没有提到的内容，还请各位观众自行探索，会有满满的成就感哦~

原子类

前面我们讲解了锁框架的使用和实现原理，虽然比较复杂，但是收获还是很多的（主要是观摩大佬写的代码）这一部分我们就来讲一点轻松的。

前面我们说到，如果要保证i++的原子性，那么我们的唯一选择就是加锁，那么，除了加锁之外，还有没有其他更好的解决方法呢？JUC为我们提供了原子类，底层采用CAS算法，它是一种用法简单、性能高效、线程安全地更新变量的方式。

所有的原子类都位于java.util.concurrent.atomic包下。

原子类介绍

常用基本数据类，有对应的原子类封装：

• AtomicInteger：原子更新int
• AtomicLong：原子更新long
• AtomicBoolean：原子更新boolean

那么，原子类和普通的基本类在使用上有没有什么区别呢？我们先来看正常情况下使用一个基本类型：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 1;
        System.out.println(i++);
    }
}

现在我们使用int类型对应的原子类，要实现同样的代码该如何编写：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(1);
        System.out.println(i.getAndIncrement());  //如果想实现i += 2这种操作，可以使用 addAndGet() 自由设置delta 值
    }
}

我们可以将int数值封装到此类中（注意必须调用构造方法，它不像Integer那样有装箱机制），并且通过调用此类提供的方法来获取或是对封装的int值进行自增，乍一看，这不就是基本类型包装类嘛，有啥高级的。确实，还真有包装类那味，但是它可不仅仅是简单的包装，它的自增操作是具有原子性的：

public class Main {
    private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r = () -> {
            for (int j = 0; j < 100000; j++)
                i.getAndIncrement();
            System.out.println("自增完成！");
        };
        new Thread(r).start();
        new Thread(r).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println(i.get());
    }
}

同样是直接进行自增操作，我们发现，使用原子类是可以保证自增操作原子性的，就跟我们前面加锁一样。怎么会这么神奇？我们来看看它的底层是如何实现的，直接从构造方法点进去：

private volatile int value;
public AtomicInteger(int initialValue) {
    value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
}

可以看到，它的底层是比较简单的，其实本质上就是封装了一个volatile类型的int值，这样能够保证可见性，在CAS操作的时候不会出现问题。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

可以看到最上面是和AQS采用了类似的机制，因为要使用CAS算法更新value的值，所以得先计算出value字段在对象中的偏移地址，CAS直接修改对应位置的内存即可（可见Unsafe类的作用巨大，很多的底层操作都要靠它来完成）

接着我们来看自增操作是怎么在运行的：

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

可以看到这里调用了unsafe.getAndAddInt()，套娃时间到，我们接着看看Unsafe里面写了什么：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {  //delta就是变化的值，++操作就是自增1
    int v;
    do {
          //volatile版本的getInt()
          //能够保证可见性
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));  //这里是开始cas替换int的值，每次都去拿最新的值去进行替换，如果成功则离开循环，不成功说明这个时候其他线程先修改了值，就进下一次循环再获取最新的值然后再cas一次，直到成功为止
    return v;
}

可以看到这是一个do-while循环，那么这个循环在做一个什么事情呢？感觉就和我们之前讲解的AQS队列中的机制差不多，也是采用自旋形式，来不断进行CAS操作，直到成功。

可见，原子类底层也是采用了CAS算法来保证的原子性，包括getAndSet、getAndAdd等方法都是这样。原子类也直接提供了CAS操作方法，我们可以直接使用：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    AtomicInteger integer = new AtomicInteger(10);
    System.out.println(integer.compareAndSet(30, 20));
    System.out.println(integer.compareAndSet(10, 20));
    System.out.println(integer);
}

如果想以普通变量的方式来设定值，那么可以使用lazySet()方法，这样就不采用volatile的立即可见机制了。

AtomicInteger integer = new AtomicInteger(1);
integer.lazySet(2);

除了基本类有原子类以外，基本类型的数组类型也有原子类：

• AtomicIntegerArray：原子更新int数组
• AtomicLongArray：原子更新long数组
• AtomicReferenceArray：原子更新引用数组