深入理解Java多线程(3.1)- AQS原理详解

2020年9月10日15:12:41 评论 109

1 AQS 简单介绍

AQS的全称为(AbstractQueuedSynchronizer)抽象的队列式同步器。是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制。这个类在java.util.concurrent.locks包下面。

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。

2 AQS 原理

2.1 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。

AQS是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。

用大白话来说,AQS就是基于CLH队列,用volatile修饰共享变量state,线程通过CAS去改变状态符,成功则获取锁成功,失败则进入等待队列,等待被唤醒。

**注意:AQS是自旋锁:线程在等待唤醒的时候,经常会使用自旋(while(!cas()))的方式,不停地尝试获取锁,直到被其他线程获取成功

实现了AQS的锁有:自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏都是AQS的衍生物

看个AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图:

深入理解Java多线程(3.1)- AQS原理详解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。

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procted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;
}
//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);
}

2.2 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Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock。

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已经在上层已经帮我们实现好了。

2.3 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(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,下面简单的给大家介绍一下模板方法模式,模板方法模式是一个很容易理解的设计模式之一。

模板方法模式是基于”继承“的,主要是为了在不改变模板结构的前提下在子类中重新定义模板中的内容以实现复用代码。举个很简单的例子假如我们要去一个地方的步骤是:购票buyTicket()->安检securityCheck()->乘坐某某工具回家ride()->到达目的地arrive()。我们可能乘坐不同的交通工具回家比如飞机或者火车,所以除了ride()方法,其他方法的实现几乎相同。我们可以定义一个包含了这些方法的抽象类,然后用户根据自己的需要继承该抽象类然后修改 ride()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-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的简单应用

Mutex:不可重入互斥锁,锁资源(state)只有两种状态:0:未被锁定;1:锁定。

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
    // 自定义同步器
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 判断是否锁定状态
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // 尝试获取资源,立即返回。成功则返回true,否则false。
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量
            if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1,不可重入!
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 尝试释放资源,立即返回。成功则为true,否则false。
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1; // 限定为1个量
            if (getState() == 0)//既然来释放,那肯定就是已占有状态了。只是为了保险,多层判断!
                throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);//释放资源,放弃占有状态
            return true;
        }
    }

    // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器!
    private final Sync sync = new Sync();

    //lock<-->acquire。两者语义一样:获取资源,即便等待,直到成功才返回。
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样:尝试获取资源,要求立即返回。成功则为true,失败则为false。
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    //unlock<-->release。两者语文一样:释放资源。
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    //锁是否占有状态
    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
}

同步类在实现时一般都将自定义同步器(sync)定义为内部类,供自己使用;而同步类自己(Mutex)则实现某个接口,对外服务。


继续阅读:3. Java多线程之并发同步工具

深入理解Java多线程(3.1)- AQS原理详解
深入理解Java多线程(3.2)- AQS深入理解和源码解读
深入理解Java多线程(3.3)- CAS(Compare and Swap)无锁算法
深入理解Java多线程(3.4)- Lock(ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock)用法和原理
深入理解Java多线程(3.5)- Condition用法和实现原理

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(转自:https://blog.csdn.net/mulinsen77/article/details/84583716)

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