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

java 多线程循环a java多线程aqs_多线程

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。