【并发编程】并发包中工具类的基础：AQS
原创
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AQS为什么要学？
- AQS是jdk并发包java.util.concurrent下绝大部分工具类实现的基础，非常重要！
- AQS是工作中并发编程常用的类Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS来实现的！
- 了解AQS，后面学习一些并发工具类，事半功倍！
- AQS是管程模型在java层面的实现！（jvm层面的实现是synchronized）
java层面如何实现管程？
- synchronized是自动的加锁解锁，java层面需要手动的加锁解锁。
- 并发可能有多种场景，但是有一些是相同的，可以把这些抽象出来:AQS。
AQS是什么？
- AbstractQueuedSynchronizer类，简称AQS。
- 抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。
- java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取…
- 适用于jdk1.5以上！
AQS的同步等待队列：
- 主要用于维护获取锁失败时入队的线程。
- 使用双向链表实现！
- 线程的使用权可以去实现一个volatile int state，只有一个线程cas 0到1成功后进行执行代码,cas 1到0成功后其他线程开始争抢使用权。
- 他是一个队列，所以需要有入队、出队操作。
- 这个锁有可能是独占锁、也可能是共享锁，所以可以将加锁、解锁的实现交给子类。
AQS的条件等待队列：
- 调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁。
- 使用单项链表实现！
- 需要提供等待唤醒机制：对比synchronized的wait/notify,notifyAll,我们也需要提供等待唤醒的方法await/signal,signalAll。
- 他是一个队列，所以需要有入队、出队操作。
AQS必须具备的功能
AQS的内部属性：volatile int state
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
/**
* Returns the current value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
* @return current state value
*/
protected final int getState() {
return state;
}
/**
* Sets the value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
* @param newState the new state value
*/
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
/**
* Atomically sets synchronization state to the given updated
* value if the current state value equals the expected value.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
* and write.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
* value was not equal to the expected value.
*/
// 核心方法，通过cas去改变State的值！
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
AQS的资源共享方式
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;
- 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。
AQS的节点状态
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
- 值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
- CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；
- SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark；
- CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；
- PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；
自定义同步器实现时重点关注什么？
// 该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 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。
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 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。
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
我的自定义锁
public class ZhangWeiLock extends AbstractQueuedSynchronizer {
/**
* 尝试获取锁
*/
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
// cas把state=0变为state=1
if (compareAndSetState(0, 1)) {
// 设置执行的线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
// 返回获取锁成功
return true;
}
// 返回获取锁成功
return false;
}
/**
* 释放锁
*/
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
// 只有获取锁的线程才能释放锁
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
// 返回释放锁成功
return true;
}
public void lock() {
acquire(1);
}
public boolean tryLock() {
return tryAcquire(1);
}
public void unlock() {
release(1);
}
public boolean isLocked() {
return isHeldExclusively();
}
}
测试方法
public class TsetZhangWeiLock {
// 定义数据
private static int sum = 0;
// 定义自己的锁
private static ZhangWeiLock lock = new ZhangWeiLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 循环3吃，开启三个线程
for (int i = 0; i < 3; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
// 加锁
lock.lock();
try {
// 不加锁这里执行完小于30000
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
sum++;
}
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
});
thread.start();
}
// 等待线程执行完
Thread.sleep(2000);
// 打印最后的结果
System.out.println(sum);
}
}
测试结果
JDK中是如何自定义同步器的？
- 一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
- 将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法
- 后续基于源码深入分析各种场景的锁。
AQS的等待唤醒机制内部类：Condition
- 调用Condition#await方法会释放当前持有的锁，然后阻塞当前线程，同时向Condition队列尾部添加一个节点，所以调用Condition#await方法的时候必须持有锁。
- 调用Condition#signal方法会将Condition队列的首节点移动到阻塞队列尾部，然后唤醒因调用Condition#await方法而阻塞的线程(唤醒之后这个线程就可以去竞争锁了)，所以调用Condition#signal方法的时候必须持有锁，持有锁的线程唤醒被因调用Condition#await方法而阻塞的线程。
在AbstractQueuedSynchronizer类中的源码位置
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
Condition接口的方法
验证等待唤醒：使用ReentrantLock（后续有针对ReentrantLock深入的源码分析）
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class TsstWait {
public static void main(String[] args) {
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 开始处理任务");
condition.await();
log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 结束处理任务");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 开始处理任务");
Thread.sleep(2000);
condition.signal();
log.debug(Thread.currentThread().getName() + " 结束处理任务");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
}
}
等待唤醒结果
结束语
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