AQS 的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类在 java.util.concurrent.locks
包下面。
AQS 类
AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架,使用 AQS 能简单高效地构造同步器,比如 ReentrantLock,Semaphore,其他的诸如 ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。
AQS 核心思想是:如果被请求的共享资源空闲,则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,并且将共享资源设置为锁定状态;如果被请求的共享资源被占用,那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制,这个机制 AQS 是用 CLH 队列锁实现的,即将暂时获取不到锁的线程加入到该队列中。
CLH(Craig,Landin,and Hagersten) 队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例,仅存在结点之间的关联关系),AQS 是将每条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。
AQS原理图
AQS 内部使用一个 int 成员变量来表示同步状态,通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS 使用 CAS 对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。
private volatile int state; // 共享变量,使用 volatile 修饰保证线程可见性
状态信息通过 protected 类型的 getState()
,setState()
,compareAndSetState()
进行操作
// 返回同步状态的当前值
protected final int getState() {
return state;
}
// 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
// 如果当前同步状态的值等于expect(期望值),原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值 update
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
AQS 定义两种资源共享方式:
ReentrantReadWriteLock(读写锁) 可以看成是组合式,因为 ReentrantReadWriteLock 允许多个线程同时对某一资源进行读。
不同的自定义同步器,争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时,只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS 已经在顶层实现好了。
同步器的设计是基于模板方法模式的,如果需要自定义同步器,一般的方式是这样:
AQS 使用了模板方法模式,自定义同步器时,需要重写下面几个 AQS 提供的模板方法:
isHeldExclusively(); // 该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它
tryAcquire(int); // 独占方式:尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false
tryRelease(int); // 独占方式:尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false
tryAcquireShared(int); // 共享方式:尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源
tryReleaseShared(int); // 共享方式:尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false
默认情况下,每个方法都抛出 UnsupportedOperationException
,这些方法的实现必须是内部线程安全的,并且通常应该简短而不是阻塞。AQS 类中的其他方法都是 final ,所以无法被其他类使用,只有这几个方法可以被其他类使用。
以 ReentrantLock 为例,state 初始化为0,表示未锁定状态。A线程 lock()
时,会调用 tryAcquire()
独占该锁并将 state+1。此后,其他线程再 tryAcquire()
时就会失败,直到A线程 unlock()
到 state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证 state 是能回到零态的。
再以 CountDownLatch 以例,任务分为N个子线程去执行,state 也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后 countDown()
一次,state 会 CAS(Compare and Swap) 减1,等到所有子线程都执行完后(即 state=0),会 unpark()
主调用线程,然后主调用线程就会从 await()
函数返回,继续后面的动作。
一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现 tryAcquire-tryRelease
、tryAcquireShared-tryReleaseShared
中的一种即可。但 AQS 也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock
。
await()
方法告诉 CyclicBarrier 已到达了屏障,然后当前线程被阻塞。