深入理解 Java 并发：CAS、AQS、ReentrantLock 与线程池

在 Java 并发编程中，CAS（Compare-And-Swap）、AQS（AbstractQueuedSynchronizer）、ReentrantLock 以及线程池是绕不开的核心话题。本文将基于面试常见问题，逐一剖析这些概念的原理、应用场景以及注意事项。

1. CAS 和 AQS 是什么？

CAS（Compare-And-Swap）

CAS 是一种无锁的原子操作，核心思想是通过比较和交换来更新变量值。它依赖硬件级别的指令（如 CPU 的 cmpxchg），通常包含三个参数：

内存位置（V）：要更新的变量。
旧值（A）：预期值。
新值（B）：要设置的值。

执行逻辑是：如果内存位置 V 的当前值等于旧值 A，则将 V 更新为新值 B；否则不做任何操作。CAS 的典型实现见 Java 的 AtomicInteger 类，例如 compareAndSet 方法。

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

AQS 是 Java 并发包（java.util.concurrent）的核心框架，用于构建锁和同步器。它通过一个基于 FIFO 队列的线程等待机制和一个 state 状态变量来管理线程同步。AQS 是许多同步工具（如 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore）的基石。

两者的关系：

CAS 是 AQS 的底层实现手段之一。AQS 通过 CAS 操作 state 字段来实现线程的竞争和状态更新。
CAS 注重无锁操作的高效性，而 AQS 提供了一个通用的同步框架。

2. ReentrantLock 是公平锁还是非公平锁？

ReentrantLock 默认是非公平锁，但可以通过构造参数设置为公平锁：

java 复制代码

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 默认非公平锁
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁

非公平锁：新来的线程可能抢占刚释放的锁，吞吐量更高，但可能导致某些线程长时间等待。
公平锁：严格按照线程请求锁的顺序分配，减少饥饿现象，但性能稍低（因为需要维护队列）。

底层实现上，ReentrantLock 基于 AQS，通过 state 表示锁的重入次数，非公平模式下会优先尝试 CAS 获取锁，而公平模式会检查等待队列。

3. 线程池是什么？

线程池是一种线程管理机制，通过复用线程来减少创建和销毁线程的开销。Java 的 ThreadPoolExecutor 是线程池的核心实现，构造参数包括：

核心线程数（corePoolSize）：常驻线程数。
最大线程数（maximumPoolSize）：允许的最大线程数。
空闲线程存活时间（keepAliveTime）：超出核心线程数的线程空闲多久后销毁。
任务队列（workQueue）：存储待执行任务的队列。
拒绝策略（RejectedExecutionHandler）：任务超载时的处理方式。

常见用法：

java 复制代码

ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(
    2, 5, 60L, TimeUnit.SECONDS,
    new LinkedBlockingQueue<>(10),
    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
);
executor.submit(() -> System.out.println("Task executed"));

线程池的优势在于资源复用、任务排队和并发控制，适用于高并发场景。

4. CAS 如果失败会发生什么？

CAS 失败意味着当前线程检测到内存值与预期值不一致，通常有以下处理方式：

自旋重试 ：线程循环调用 CAS，直到成功。例如 AtomicInteger 的 incrementAndGet 方法：
java 复制代码
```
do {
    oldValue = get();
} while (!compareAndSet(oldValue, oldValue + 1));
```
放弃或回退：根据业务逻辑选择放弃操作或执行其他策略。
ABA 问题 ：CAS 失败可能隐藏 ABA 问题（值从 A 变为 B 又变回 A），可以通过版本号（如 AtomicStampedReference）解决。

失败的原因通常是多线程竞争导致的并发修改。

5. CAS 和 AQS 基于什么场景使用？

CAS 适用场景：
- 单变量的原子更新，例如计数器（AtomicInteger）、标志位。
- 轻量级、无锁操作，要求高性能且竞争不激烈。
- 示例：乐观锁实现、简单的并发数据结构。
AQS 适用场景：
- 需要复杂的同步逻辑，如锁、信号量、倒计时器。
- 多线程协作或资源竞争，例如线程安全的队列、读写锁。
- 示例：ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch。

两者的选择取决于同步需求的复杂度和性能要求：CAS 简单高效，AQS 功能强大但稍重。

6. 为什么 AQS 适用于写的场景？

AQS 特别适合"写"场景的原因在于：

状态管理 ：AQS 的 state 字段可以表示锁状态，通过 CAS 更新实现线程安全，天然适合写操作的竞争。
队列机制：写操作通常需要互斥，AQS 的 FIFO 队列确保线程按序获取资源，避免无序竞争。
灵活性：AQS 支持独占模式（如 ReentrantLock）和共享模式（如 Semaphore），能适应多种写场景。
重入支持 ：写操作常涉及递归或嵌套调用，AQS 的重入机制（通过 state 计数）非常契合。

例如，ReentrantLock 在写多读少的场景中，通过 AQS 保证写操作的线程安全和高吞吐量。

总结

CAS 是无锁并发的基础，高效但适用范围有限。
AQS 是构建复杂同步器的利器，适合需要队列管理和状态控制的场景。
ReentrantLock 默认非公平，灵活性强。
线程池 是并发任务管理的核心工具。

理解这些概念的原理和适用场景，不仅能应对面试，更能在实际开发中设计高效的并发系统。希望这篇博客对你的学习有所帮助！