AQS

AQS 介绍

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 原理分析

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 对资源的共享方式

AQS 定义两种资源共享方式:

  • Exclusive(独占):只有一个线程能执行,如 ReentrantLock,其中又可分为公平锁和非公平锁:
    • 公平锁:按照线程在队列中的排队顺序,先到者先拿到锁;
    • 非公平锁:当线程要获取锁时,无视队列顺序直接去抢锁,谁抢到就是谁的。
  • Share(共享):多个线程可同时执行,如 Semaphore/CountDownLatch、Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock

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。

AQS 底层使用了模板方法模式

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:

  1. 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer,并重写指定的方法(这些重写方法是对共享资源 state 的获取和释放);
  2. 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中,并调用其模板方法,而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

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-tryReleasetryAcquireShared-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

AQS 组件总结

  • Semaphore(信号量): synchronized 和 ReentrantLock 都是只允许一个线程访问某个资源,Semaphore 可以指定多个线程同时访问某个资源;
  • CountDownLatch (倒计时器): CountDownLatch 是一个同步工具类,用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待,它可以让某一个线程等待直到倒计时结束,再开始执行;
  • CyclicBarrier(循环栅栏): CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似,它也可以实现线程间的技术等待,但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用(Cyclic)的屏障(Barrier)。它要做的事情是,让一组线程到达一个屏障(也可以叫同步点)时被阻塞,直到最后一个线程到达屏障时,屏障才会开门,所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties),其参数表示屏障拦截的线程数量,每个线程调用 await() 方法告诉 CyclicBarrier 已到达了屏障,然后当前线程被阻塞。

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