Java并发锁的演进：从synchronized到CAS和AQS

Java并发锁的演进之路：从synchronized到CAS和AQS

前言

在现代多线程编程中，并发锁是一个不可或缺的工具。它可以确保当多个线程同时访问共享资源时，数据的完整性和一致性。在Java中，并发锁的演变经历了一个漫长的过程，从最初的synchronized到引入CAS和AQS框架，每一个阶段都带来了显著的改进。本文将深入探讨Java并发锁的演变历程，揭示其背后的设计理念和技术细节。

阶段一：synchronized关键字

synchronized关键字是Java最早引入的并发锁机制，它以简单易用著称。synchronized关键字可以修饰方法或代码块，当一个线程进入synchronized代码块时，它会获取该代码块对应的锁，其他线程只能等待该锁释放后才能进入。

synchronized关键字虽然简单易用，但它也有其局限性。首先，synchronized锁是重量级的，获取和释放锁都需要较高的开销。其次，synchronized锁是独占的，一旦一个线程获取了锁，其他线程只能等待，无法进行并行处理。

阶段二：CAS和原子变量

CAS（Compare-And-Swap）是一种非阻塞的同步原语，它允许线程在不获取锁的情况下更新共享变量。CAS通过比较变量的预期值和实际值来实现原子更新。如果预期值和实际值相等，则CAS将更新变量的值并返回true，否则返回false。

Java中提供了原子变量类（如AtomicInteger和AtomicBoolean）来支持CAS操作。原子变量的底层实现依赖于硬件指令，如compare-and-swap指令。CAS操作的优势在于它是非阻塞的，不会导致线程阻塞，从而提高了并发性能。

阶段三：AQS框架

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架是Java并发锁体系中最重要的一个组件。AQS提供了一个抽象的队列同步器，它可以用来构建各种类型的锁和同步器。AQS框架具有以下特点：

• 公平性： AQS框架支持公平锁和非公平锁两种模式。公平锁保证先进入队列的线程优先获取锁，而非公平锁则不保证这一点。
• 可扩展性： AQS框架是一个抽象框架，可以通过实现其抽象方法来构建不同的锁和同步器。
• 高性能： AQS框架的底层实现采用了自旋锁、条件变量和CLH队列等技术，可以有效地提高并发性能。

Java中常用的并发锁和同步器，如ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch等，都是基于AQS框架实现的。

总结

Java并发锁的演变是一个不断完善和优化的过程。从synchronized关键字到CAS和AQS框架，每一阶段都带来了显著的改进。synchronized关键字简单易用，但开销较大；CAS操作是非阻塞的，但只能用于原子变量的更新；AQS框架提供了可扩展性和高性能，可以构建各种类型的锁和同步器。

对Java并发锁演变历程的深入理解，有助于我们根据实际场景选择合适的并发锁机制，从而提升并发程序的性能和可靠性。