Java中的AQS框架原理詳解
一、原理概述
AQS全稱是 AbstractQueuedSynchronizer,是阻塞式鎖和相關(guān)的同步器工具的框架
AQS核心思想是,如果被請求的共享資源(state)空閑,則將當(dāng)前請求資源的線程設(shè)置為有效的工作線程,并且將共享資源設(shè)置為鎖定狀態(tài)。如果被請求的共享資源被占用,那么就需要一套線程阻塞等待以及被喚醒時(shí)鎖分配的機(jī)制,這個(gè)機(jī)制AQS是用CLH隊(duì)列鎖實(shí)現(xiàn)的,即將暫時(shí)獲取不到鎖的線程加入到隊(duì)列中。
CLH隊(duì)列是一個(gè)虛擬的雙向隊(duì)列(虛擬的雙向隊(duì)列即不存在隊(duì)列實(shí)例,僅存在結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系)。AQS是將每條請求共享資源的線程封裝成一個(gè)CLH鎖隊(duì)列的一個(gè)結(jié)點(diǎn)(Node)來實(shí)現(xiàn)鎖的分配。
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理圖:

AQS使用一個(gè)int成員變量來表示同步狀態(tài),通過內(nèi)置的FIFO隊(duì)列來完成獲取資源線程的排隊(duì)工作。AQS使用CAS對該同步狀態(tài)進(jìn)行原子操作實(shí)現(xiàn)對其值的修改。
//共享變量,使用volatile修飾保證線程可見性
private volatile int state;
//狀態(tài)信息通過protected類型的getState,setState,compareAndSetState進(jìn)行操作. 且為final類型,不允許被子類重寫
//返回同步狀態(tài)的當(dāng)前值
protected final int getState() {
return state;
}
// 設(shè)置同步狀態(tài)的值
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//原子地(CAS操作)將同步狀態(tài)值設(shè)置為給定值update如果當(dāng)前同步狀態(tài)的值等于expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}二、AQS 對資源的共享方式
AQS定義兩種資源共享方式
- Exclusive(獨(dú)占):只有一個(gè)線程能執(zhí)行,如ReentrantLock。又可分為公平鎖和非公平鎖: - 公平鎖:按照線程在隊(duì)列中的排隊(duì)順序,先到者先拿到鎖 - 非公平鎖:當(dāng)線程要獲取鎖時(shí),無視隊(duì)列順序直接去搶鎖,誰搶到就是誰的
- share(共享):多個(gè)線程都可以同時(shí)獲取到鎖,如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我們都會在后面講到。
不同的自定義同步器爭用共享資源的方式也不同。自定義同步器在實(shí)現(xiàn)時(shí)只需要實(shí)現(xiàn)共享資源 state 的獲取與釋放方式即可,至于具體線程等待隊(duì)列的維護(hù)(如獲取資源失敗入隊(duì)/喚醒出隊(duì)等),AQS已經(jīng)在頂層實(shí)現(xiàn)好了
三、AQS底層使用了模板方法模式
同步器的設(shè)計(jì)是基于模板方法模式的,如果需要自定義同步器一般的方式是這樣
- 自定義同步器繼承AbstractQueuedSynchronizer并重寫指定的方法。(這些重寫方法很簡單,無非是對于共享資源state的獲取和釋放)
- 將自定義同步器組合在自定義同步組件的實(shí)現(xiàn)中,并調(diào)用其模板方法,而這些模板方法會調(diào)用使用者重寫的方法
自定義同步器時(shí)需要重寫下面幾個(gè)AQS提供的模板方法:
isHeldExclusively()//該線程是否正在獨(dú)占資源。只有用到condition才需要去實(shí)現(xiàn)它。 tryAcquire(int)//獨(dú)占方式。嘗試獲取資源,成功則返回true,失敗則返回false。 tryRelease(int)//獨(dú)占方式。嘗試釋放資源,成功則返回true,失敗則返回false。 tryAcquireShared(int)//共享方式。嘗試獲取資源。負(fù)數(shù)表示失?。?表示成功,但沒有剩余可用資源;正數(shù)表示成功,且有剩余資源。 tryReleaseShared(int)//共享方式。嘗試釋放資源,成功則返回true,失敗則返回false。
默認(rèn)情況下,每個(gè)方法都拋出 UnsupportedOperationException。這些方法的實(shí)現(xiàn)必須是內(nèi)部線程安全的,并且通常應(yīng)該簡短而不是阻塞。
AQS類中的其他方法都是final ,所以無法被其他類使用,只有這幾個(gè)方法可以被其他類使用。
以ReentrantLock為例,state初始化為0,表示未鎖定狀態(tài)。A線程lock()時(shí),會調(diào)用tryAcquire()獨(dú)占該鎖并將state+1。此后,其他線程再tryAcquire()時(shí)就會失敗,直到A線程unlock()到state=0(即釋放鎖)為止,其它線程才有機(jī)會獲取該鎖。當(dāng)然,釋放鎖之前,A線程自己是可以重復(fù)獲取此鎖的(state會累加),這就是可重入的概念。但要注意,獲取多少次就要釋放多么次,這樣才能保證state是能回到零態(tài)的。
再以CountDownLatch以例,任務(wù)分為N個(gè)子線程去執(zhí)行,state也初始化為N(注意N要與線程個(gè)數(shù)一致)。這N個(gè)子線程是并行執(zhí)行的,每個(gè)子線程執(zhí)行完后countDown()一次,state會CAS(Compare and Swap)減1。等到所有子線程都執(zhí)行完后(即state=0),會unpark()主調(diào)用線程,然后主調(diào)用線程就會從await()函數(shù)返回,繼續(xù)后余動作。
一般來說,自定義同步器要么是獨(dú)占方法,要么是共享方式,他們也只需實(shí)現(xiàn)tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種即可。但AQS也支持自定義同步器同時(shí)實(shí)現(xiàn)獨(dú)占和共享兩種方式,如ReentrantReadWriteLock。
四、使用demo,使用AQS實(shí)現(xiàn)不可重入鎖
實(shí)現(xiàn)不可重入鎖需要分兩步來走,一是實(shí)現(xiàn)自定義同步器,二是實(shí)現(xiàn)自定義鎖
自定義同步器
class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 嘗試去獲取鎖
@Override
protected boolean tryAcquire(int i) {
// compareAndSetState(0, 1): 嘗試著將state的值從 0改為1
if (compareAndSetState(0, 1)) {
// 將持有鎖的線程改為當(dāng)前線程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
// 嘗試去釋放鎖
@Override
protected boolean tryRelease(int i) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
// 判斷是否持有獨(dú)占鎖
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
protected Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}自定義鎖
有了自定義同步器,很容易復(fù)用 AQS ,實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能完備的自定義鎖
public class MyLock implements Lock {
// 自定義同步器 , 實(shí)現(xiàn)的是不可重入鎖
private MySync sync = new MySync();
@Override
// 嘗試,不成功,進(jìn)入等待隊(duì)列
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
// 嘗試,不成功,進(jìn)入等待隊(duì)列,可打斷
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
// 嘗試一次,不成功返回,不進(jìn)入隊(duì)列
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
// 嘗試,不成功,進(jìn)入等待隊(duì)列,有時(shí)限
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
// 釋放鎖
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
// 生成條件變量
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}測試
@Slf4j(topic = "c.MyLockTest")
public class MyLockTest {
public static void main(String[] args) {
MyLock lock = new MyLock();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
} finally {
log.debug("unlocking...");
lock.unlock();
}
},"t1").start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking...");
} finally {
log.debug("unlocking...");
lock.unlock();
}
},"t2").start();
}
}可以看到只有當(dāng)t1線程釋放鎖之后,t2線程才能獲取到鎖

五、AQS使用到的幾個(gè)框架
1、信號量 Semaphore 允許多個(gè)線程同時(shí)訪問: synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允許一個(gè)線程訪問某個(gè)資源,Semaphore(信號量)可以指定多個(gè)線程同時(shí)訪問某個(gè)資源。
2、CountDownLatch (倒計(jì)時(shí)器) CountDownLatch是一個(gè)同步工具類,用來協(xié)調(diào)多個(gè)線程之間的同步。這個(gè)工具通常用來控制線程等待,它可以讓某一個(gè)線程等待直到倒計(jì)時(shí)結(jié)束,再開始執(zhí)行。
3、CyclicBarrier(循環(huán)柵欄) CountDownLatch 更加復(fù)雜和強(qiáng)大。主要應(yīng)用場景和 CountDownLatch 類似。CyclicBarrier 的字面意思是可循環(huán)使用(Cyclic)的屏障(Barrier)。它要做的事情是,讓一組線程到達(dá)一個(gè)屏障(也可以叫同步點(diǎn))時(shí)被阻塞,直到最后一個(gè)線程到達(dá)屏障時(shí),屏障才會開門,所有被屏障攔截的線程才會繼續(xù)干活。CyclicBarrier默認(rèn)的構(gòu)造方法是 CyclicBarrier(int parties),其參數(shù)表示屏障攔截的線程數(shù)量,每個(gè)線程調(diào)用await()方法告訴 CyclicBarrier 我已經(jīng)到達(dá)了屏障,然后當(dāng)前線程被阻塞。
到此這篇關(guān)于Java中的AQS框架原理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)AQS框架原理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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