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Java中的AQS框架原理详解

作者：小晨想好好学习

这篇文章主要介绍了Java中的AQS框架原理详解,AQS核心思想是,如果被请求的共享资源（state）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,需要的朋友可以参考下

一、原理概述

AQS全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源（state）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(AbstractQueuedSynchronizer)原理图：

在这里插入图片描述

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。

//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
private volatile int state;
//状态信息通过protected类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作. 且为final类型，不允许被子类重写
//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);
}

二、AQS 对资源的共享方式

AQS定义两种资源共享方式

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

三、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

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-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。

四、使用demo，使用AQS实现不可重入锁

实现不可重入锁需要分两步来走，一是实现自定义同步器，二是实现自定义锁

自定义同步器

class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 尝试去获取锁
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int i) {
            // compareAndSetState(0, 1): 尝试着将state的值从 0改为1
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                // 将持有锁的线程改为当前线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
        // 尝试去释放锁
        @Override
        protected boolean tryRelease(int i) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        // 判断是否持有独占锁
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
        protected Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }

自定义锁

有了自定义同步器，很容易复用 AQS ，实现一个功能完备的自定义锁

public class MyLock implements Lock {
    // 自定义同步器 , 实现的是不可重入锁
    private MySync sync = new MySync();
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，可打断
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }
    @Override
    // 尝试一次，不成功返回，不进入队列
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，有时限
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }
    @Override
    // 释放锁
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    @Override
    // 生成条件变量
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
}

测试

@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();
    }
}

可以看到只有当t1线程释放锁之后，t2线程才能获取到锁

在这里插入图片描述

五、AQS使用到的几个框架

1、信号量 Semaphore 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。

2、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。

3、CyclicBarrier(循环栅栏) 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。

到此这篇关于Java中的AQS框架原理详解的文章就介绍到这了,更多相关AQS框架原理内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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