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AQS 详细介绍

1. AQS

1.1 AQS 简单介绍

AQS 的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

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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(jdk1.7) 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。

1.2 AQS 原理

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1.2.1 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。

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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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状态信息通过 protected 类型的getState , setState , compareAndSetState 进行操作

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1.2.2 AQS 对资源的共享方式

AQS 定义两种资源共享方式

1) 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,ReentrantLock 同时支持两种锁,下面以 ReentrantLock 对这两种锁的定义做介绍:

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下面来看 ReentrantLock 中相关的源代码:

ReentrantLock 默认采用非公平锁,因为考虑获得更好的性能,通过 boolean 来决定是否用公平锁(传入 true 用公平锁)。

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ReentrantLock 中公平锁的 lock 方法

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非公平锁的 lock 方法:

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总结:公平锁和非公平锁只有两处不同:

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公平锁和非公平锁就这两点区别,如果这两次 CAS 都不成功,那么后面非公平锁和公平锁是一样的, 都要进入到阻塞队列等待唤醒。

相对来说,非公平锁会有更好的性能,因为它的吞吐量比较大。当然,非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定,可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。

1) Share(共享)

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1.2.3 AQS 底层使用了模板方法模式

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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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1.3 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。

示例代码如下:

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执行 acquire 方法阻塞,直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证;每个 rerelease方法增加一个许可证,这可能会释放一个阻塞的 acquire 方法。然而,其实并没有实际的许可证这个对象,Semaphore 只是维持了一个可获得许可证的数量。 Semaphore 经常用于限制获取某种资源的线程数量。

当然一次也可以一次拿取和释放多个许可,不过一般没有必要这样做:

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除了 acquire 方法之外,另一个比较常用的与之对应的方法是tryAcquire 方法,该方法如果获取不到许可就立即返回 false。

Semaphore 有两种模式,公平模式和非公平模式。

公平模式: 调用 acquire 的顺序就是获取许可证的顺序,遵循 FIFO;

非公平模式: 抢占式的。

Semaphore 对应的两个构造方法如下:

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这两个构造方法,都必须提供许可的数量,第二个构造方法可以指定是公平模式还是非公平模式,默认非公平模式。

补充:Semaphore与CountDownLatch一样,也是共享锁的一种实现。它默认构造AQS的state为permits。当执行任务的线程数量超出permits,那么多余的线程将会被放入阻塞队列Park,并自旋判断state是否大于0。只有当state大于0的时候,阻塞的线程才能继续执行,此时先前执行任务的线程继续执 行release方法,release方法使得state的变量会加1,那么自旋的线程便会判断成功。如此,每次只有最多不超过permits数量的线程能自旋成功,便限制了执行任务线程的数量。

1.4 CountDownLatch (倒计时器)

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1.4.1 CountDownLatch 的两种典型用法

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1.4.2 CountDownLatch 的使用示例

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上面的代码中,我们定义了请求的数量为 550,当这 550 个请求被处理完成之后,才会执行

System.out.println("finish");

与 CountDownLatch 的第一次交互是主线程等待其他线程。主线程必须在启动其他线程后立即调用 CountDownLatch.await()方法。这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞,直到其他线程完成各自的任务。

其他 N 个线程必须引用闭锁对象,因为他们需要通知CountDownLatch对象,他们已经完成了各自的任务。这种通知机制是通过CountDownLatch.countDown()方法来完成的;每调用一次这个方法,在构造函数中初始化的 count 值就减 1。所以当 N 个线程都调 用了这个方法,count 的值等于 0,然后主线程就能通过 await() 方法,恢复执行自己的任务。

再插一嘴: CountDownLatch 的await()方法使用不当很容易产生死锁,比如我们上面代码中的 for循环改为:

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这样就导致 count 的值没办法等于 0,然后就会导致一直等待。

1.4.3 CountDownLatch 的不足

CountDownLatch 是一次性的,计数器的值只能在构造方法中初始化一次,之后没有任何机制再次对其设置值,当 CountDownLatch 使用完毕后,它不能再次被使用。

1.4.4 CountDownLatch 项常见面试题

解释一下 CountDownLatch 概念?

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的不同之处?

给出一些 CountDownLatch 使用的例子?

CountDownLatch 类中主要的方法?

1.5 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。

CountDownLatch的实现是基于AQS的,而CycliBarrier是基于 ReentrantLock(ReentrantLock也属于AQS同步器)和 Condition 的.

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。

再来看一下它的构造函数:

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其中,parties 就代表了有拦截的线程的数量,当拦截的线程数量达到这个值的时候就打开栅栏,让所有线程通过。

1.5.1 CyclicBarrier 的应用场景

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1.5.2 CyclicBarrier 的使用示例

示例 1:

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运行结果,如下:

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可以看到当线程数量也就是请求数量达到我们定义的 5 个的时候, await 方法之后的方法才被执行。

另外,CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(intparties,RunnablebarrierAction),用于在线程到达屏障时,优先执行barrierAction,方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下:

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运行结果,如下:

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1.5.3 CyclicBarrier 源码分析

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dowait(false, 0L) :

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总结: CyclicBarrier 内部通过一个 count 变量作为计数器,cout 的初始值为 parties 属性的初始化值,每当一个线程到了栅栏这里了,那么就将计数器减一。如果 count 值为 0 了,表示这是这一代最后一个线程到达栅栏,就尝试执行我们构造方法中输入的任务。

1.5.4CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别

下面这个是国外一个大佬的回答:

CountDownLatch 是计数器,只能使用一次,而 CyclicBarrier 的计数器提供 reset 功能,可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从 jdk 作者设计的目的来看,javadoc 是这么描述它们的:

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对于 CountDownLatch 来说,重点是“一个线程(多个线程)等待”,而其他的 N 个线程在完成“某件事情”之后,可以终止,也可以等待。而对于 CyclicBarrier,重点是多个线程,在任意一个线程没有完成,所有的线程都必须等待。

CountDownLatch 是计数器,线程完成一个记录一个,只不过计数不是递增而是递减,而

CyclicBarrier 更像是一个阀门,需要所有线程都到达,阀门才能打开,然后继续执行。

1.6 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock 和 synchronized 的区别在上面已经讲过了这里就不多做讲解。另外,需要注意的是: 读写锁 ReentrantReadWriteLock 可以保证多个线程可以同时读,所以在读操作远大于写操作的时候, 读写锁就非常有用了。

 


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