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Java–AQS的原理

简介

本文介绍Java中的AQS的原理。

Java的AQS是JDK自带的锁机制,是JUC(java.util.concurrent)的基础,很多并发类都是基于它实现的,例如:ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、ReadWriteLock,CyclicBarrier。

概述

名词含义

AQS:全名为AbstractQuenedSynchronizer,是抽象的队列式同步器。AQS是除了synchronized关键字之外的锁机制,全限定类名为:java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.java

AQS的原理

AQS原理:基于CLH队列,用volatile修饰共享变量state,线程通过CAS去改变状态,成功则获取锁成功,失败则进入等待队列,等待被唤醒。

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,仅存在节点之间的关联关系。AQS将每一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用CLH队列锁实现,将暂时获取不到锁的线程加入到队列中:

  • 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(AQS)。

AQS是自旋锁

在等待唤醒的时候,经常会使用自旋(while(!cas()))的方式,不停地尝试获取锁,直到获取成功。

AQS实现的具体方式

如图所示,AQS维护了一个volatile int state和一个FIFO线程等待队列,多线程争用资源被阻塞的时候就会进入这个队列。state就是共享资源,其访问方式有三种:getState(); setState(); compareAndSetState()。

资源共享方式

AQS 定义了两种资源共享方式:

  • Exclusive
    • 独占,只有一个线程能执行。
    • 如:ReentrantLock
  • Share
    • 共享,多个线程可以同时执行。
    • 如:Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock,CyclicBarrier

不同的自定义的同步器争用共享资源的方式也不同。

AQS底层使用了模板方法模式,如果需要自定义同步器一般的方式是这样(模板方法模式很经典的一个应用):

  1. 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单,无非是对于共享资源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。
    这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别,这是模板方法模式很经典的一个运用。

自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护,AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法:

  • 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,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。

ReentrantLock

ReentrantLock(可重入独占式锁):state初始化为0,表示未锁定状态,A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占锁并将state+1.之后其他线程再想tryAcquire的时候就会失败,直到A线程unlock()到state=0为止,其他线程才有机会获取该锁。A释放锁之前,自己也是可以重复获取此锁(state累加),这就是可重入的概念。

注意:获取多少次锁就要释放多少次锁,保证state是能回到零态的。

CountDownLatch

CountDownLatch任务分N个子线程去执行,state就初始化 为N,N个线程并行执行,每个线程执行完之后countDown()一次,state就会CAS减一。当N子线程全部执行完毕,state=0,会unpark()主调用线程,主调用线程就会从await()函数返回,继续之后的动作。

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。

在acquire() acquireShared()两种方式下,线程在等待队列中都是忽略中断的,acquireInterruptibly()、acquireSharedInterruptibly()是支持响应中断的。

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评论5

请先

  1. 真的有人能看懂吗,我真的崩溃了
    锈湖 2024-03-04 1
    • 看看视频,然后自己看源码就了解了
      不知道叫什么 2024-03-29 0
      • 一个还好,主要好几十,上百个这种题目的。我也崩溃了,太多了 :cry:
        是你呀! 2024-04-11 0
        • 记重点就行。第一遍记不住可以先留个大致印象,第二遍看时会有更深的领悟。
          自学精灵 2024-04-11 0
    • 先大概知道它是怎么加锁的,面试能答出来就行,后边经验多了就能逐渐理解了。
      自学精灵 2024-03-29 0
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