【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:AQS简介

Java的内置锁一直都是备受争议的,在JDK 1.6之前,synchronized这个重量级锁其性能一直都是较为低下,虽然在1.6后,进行大量的锁优化策略(【死磕Java并发】—–深入分析synchronized的实现原理),但是与Lock相比synchronized还是存在一些缺陷的:虽然synchronized提供了便捷性的隐式获取锁释放锁机制(基于JVM机制),但是它却缺少了获取锁与释放锁的可操作性,可中断、超时获取锁,且它为独占式在高并发场景下性能大打折扣。

在介绍Lock之前,我们需要先熟悉一个非常重要的组件,掌握了该组件JUC包下面很多问题都不在是问题了。该组件就是AQS。

AQS,AbstractQueuedSynchronizer,即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架(如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等),JUC并发包的作者(Doug Lea)期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。它是JUC并发包中的核心基础组件。

AQS解决了子啊实现同步器时涉及当的大量细节问题,例如获取同步状态、FIFO同步队列。基于AQS来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作,而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。

在基于AQS构建的同步器中,只能在一个时刻发生阻塞,从而降低上下文切换的开销,提高了吞吐量。同时在设计AQS时充分考虑了可伸缩行,因此J.U.C中所有基于AQS构建的同步器均可以获得这个优势。

AQS的主要使用方式是继承,子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。

AQS使用一个int类型的成员变量state来表示同步状态,当state>0时表示已经获取了锁,当state = 0时表示释放了锁。它提供了三个方法(getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update))来对同步状态state进行操作,当然AQS可以确保对state的操作是安全的。

AQS通过内置的FIFO同步队列来完成资源获取线程的排队工作,如果当前线程获取同步状态失败(锁)时,AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,则会把节点中的线程唤醒,使其再次尝试获取同步状态。

AQS主要提供了如下一些方法:

  • getState():返回同步状态的当前值;
  • setState(int newState):设置当前同步状态;
  • compareAndSetState(int expect, int update):使用CAS设置当前状态,该方法能够保证状态设置的原子性;
  • tryAcquire(int arg):独占式获取同步状态,获取同步状态成功后,其他线程需要等待该线程释放同步状态才能获取同步状态;
  • tryRelease(int arg):独占式释放同步状态;
  • tryAcquireShared(int arg):共享式获取同步状态,返回值大于等于0则表示获取成功,否则获取失败;
  • tryReleaseShared(int arg):共享式释放同步状态;
  • isHeldExclusively():当前同步器是否在独占式模式下被线程占用,一般该方法表示是否被当前线程所独占;
  • acquire(int arg):独占式获取同步状态,如果当前线程获取同步状态成功,则由该方法返回,否则,将会进入同步队列等待,该方法将会调用可重写的tryAcquire(int arg)方法;
  • acquireInterruptibly(int arg):与acquire(int arg)相同,但是该方法响应中断,当前线程为获取到同步状态而进入到同步队列中,如果当前线程被中断,则该方法会抛出InterruptedException异常并返回;
  • tryAcquireNanos(int arg,long nanos):超时获取同步状态,如果当前线程在nanos时间内没有获取到同步状态,那么将会返回false,已经获取则返回true;
  • acquireShared(int arg):共享式获取同步状态,如果当前线程未获取到同步状态,将会进入同步队列等待,与独占式的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态;
  • acquireSharedInterruptibly(int arg):共享式获取同步状态,响应中断;
  • tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout):共享式获取同步状态,增加超时限制;
  • release(int arg):独占式释放同步状态,该方法会在释放同步状态之后,将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒;
  • releaseShared(int arg):共享式释放同步状态;

后面LZ将会就CLH队列,同步状态的获取、释放做详细介绍

参考资料

  1. Doug Lea:《Java并发编程实战》
  2. 方腾飞:《Java并发编程的艺术》

原文发布于微信公众号 - zhisheng(zhisheng_blog)

原文发表时间:2018-07-08

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