JUC 核心之AQS介绍

Marlowe
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发布于：Mar 19, 2021
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AQS 的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在java.util.concurrent.locks包下面。

简介

AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的 ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

AQS原理分析

AQS原理概览

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。

看个 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图：

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AQS 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。

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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

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//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;
}
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
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。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 CountDownLatch、Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。
    ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为 ReentrantReadWriteLock 也就是读写锁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

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：

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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，继续后余动作。

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。

如何表明锁状态?无锁还是有锁?

state变量即可。假如咱们让这个变量类型为boolean, true表明有锁、false表明无锁。 ReentrantLock, 由于RL的设计叫做:可重入锁，而boolean只能表示两种状态，这时需要别
的类型，int即可。0表明无锁，>0表明重入了几次，也即获取了多少次锁。

AQS 组件总结

  • Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问： synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)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 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

一些问题

谈谈你对AQS的理解，AQS如何实现可重入锁？

  1. AQS是一个Java线程同步框架。是JDK中很多锁工具的核心实现框架。
  2. 在AQS中，维护了一个信号量state和一个线程组成的双向链表队列。其中，这个线程队列，就是用来给线程排队的，而state就像是一个红绿灯，用来控制线程排队或者放行的。在不同的场景下，有不同的意义。
  3. 在可重入锁这个场景下，state就用来表示加锁的次数。0表示无锁，每加一次锁，state就加1。释放锁state就减1。

总结

AQS底层是通过一个状态量State记录当前同步器的状态，这个状态量的更改是通过CAS方式更新，同时维护了一个等待队列，如果新的任务进来的时候发现AQS是独占模式并且状态为0，则表示可以直接执行，如果状态为1则加入等待队列（双向链表），当调用unlock的时候唤醒等待队列中没有被取消的线程。

如果为非公平模式，当AQS已经被使用完成，从等待队列中唤醒一个任务的时候同时有一个任务也正加入进来，则两个任务直接竞争。如果是公平模式则直接将新加的任务放入队尾。

而AQS中还有Condition，也就是一个锁可以有多个条件来保证并发

参考

AQS

JUC：AQS详解

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Marlowe

更新于：May 23, 2021

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