java并发神器 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

Wesley13
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AbstractQueuedSynchronizer

  • AQS的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类在java.util.concurrent.locks包

  • AQS的核心思想是,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(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。

  • 用大白话来说,AQS就是基于CLH队列,用volatile修饰共享变量state,线程通过CAS去改变状态符,成功则获取锁成功,失败则进入等待队列,等待被唤醒。

  • CAS(Compare and Swap) 科普

    ​ 如字面意思,就是先比较再替换,

    ​ cas方法有三个重要参数 : 待比较的值、预期值、要修改的新值, 如果预期值是待比较的值一致,那么就把 要修改的值赋值给待比较的值

    ​ 伪代码如下:

    Object old; // 待比较的值
    Object new; // 预期值
    Object update;// 要修改的新值
    if(old == new) {
        old = update;
    }
    

    ​ CAS(比较并交换)是CPU指令级的操作,只有一步原子操作,所以非常快。而且CAS避免了请求操作系统来裁定锁的问题,不用麻烦操作系统,直接在CPU内部就搞定了。

    java中操作cas:

    sun.misc.Unsafe unsafe = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
    Demo old = new Demo();
    long offset = unsafe.objectFieldOffset
                    (Demo.class.getDeclaredField("id"))
        // 如果 old.id 是 1, 那么修改成 2
    return unsafe.compareAndSwapObject(old, offset, 1, 2);
    
  • AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)

    • 独占锁API

      • **isHeldExclusively()**:该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

        aqs未实现该方法,需要手动实现,判断当前线程是否已获得资源,返回boolean

      • **tryAcquire(int)**:独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。

        aqs抽象类未实现该方法, 一般都需要重写该方法

      • **tryRelease(int)**:独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

        ​ aqs抽象类未实现该方法,一般需要重写该方法来释放资源

    • 共享锁API

      • **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。

        ​ aqs抽象类未实现该方法, 一般都需要重写该方法

      • **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。aqs抽象类未实现该方法,一般需要重写该方法来释放资源

    • 独占api和共享api的区别

      • 当AQS的子类实现独占功能时,如 ReentrantLock,资源是否可以被访问被定义为:只要AQS的state变量不为0,并且持有锁的线程不是当前线程,那么代表资源不可访问。
      • 当AQS的子类实现共享功能时,如CountDownLatch,资源是否可以被访问被定义为:只要AQS的state变量不为0,那么代表资源不可以为访问。
      • ReentrantReadWriteLock 中读锁用的共享锁, 写锁用的独占锁
    • 独占锁例子

      • ReentrantLock为例,(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。
    • 共享锁例子

      • CountDownLatch为例,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。

**注意: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,直到被其他线程获取成功

aqs的一个独占锁简单DEMO

private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 判断是否锁定状态
    protected boolean isHeldExclusively() {
        return getState() == 1;
    }

    // 尝试获取资源,立即返回。成功则返回true,否则false。
    public boolean tryAcquire(int acquires) {
        assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量
        if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1,不可重入!
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 尝试释放资源,立即返回。成功则为true,否则false。
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        assert releases == 1; // 限定为1个量
        if (getState() == 0)//既然来释放,那肯定就是已占有状态了。只是为了保险,多层判断!
            throw new IllegalMonitorStateException();
        setExclusiveOwnerThread(null);
        setState(0);//释放资源,放弃占有状态
        return true;
    }
}

aqs共享锁demo:

// 拷贝至 RocketMQ源码, 基于boolean的共享锁
public class BooleanMutex {

    private Sync sync;

    public BooleanMutex() {
        sync = new Sync();
        set(false);
    }

    public BooleanMutex(Boolean mutex) {
        sync = new Sync();
        set(mutex);
    }

    /**
     * 阻塞等待Boolean为true
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    public void get() throws InterruptedException {
        sync.innerGet();
    }

    /**
     * 阻塞等待Boolean为true,允许设置超时时间
     *
     * @param timeout
     * @param unit
     * @throws InterruptedException
     * @throws TimeoutException
     */
    public void get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException {
        sync.innerGet(unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 重新设置对应的Boolean mutex
     *
     * @param mutex
     */
    public void set(Boolean mutex) {
        if (mutex) {
            sync.innerSetTrue();
        } else {
            sync.innerSetFalse();
        }
    }

    public boolean state() {
        return sync.innerState();
    }

    /**
     * Synchronization control for BooleanMutex. Uses AQS sync state to
     * represent run status
     */
    private final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        private static final long serialVersionUID = 2559471934544126329L;
        /**
         * State value representing that TRUE
         */
        private static final int TRUE = 1;
        /**
         * State value representing that FALSE
         */
        private static final int FALSE = 2;

        private boolean isTrue(int state) {
            return (state & TRUE) != 0;
        }

        /**
         * 实现AQS的接口,获取共享锁的判断
         */
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int state) {
            // 如果为true,直接允许获取锁对象
            // 如果为false,进入阻塞队列,等待被唤醒
            return isTrue(getState()) ? 1 : -1;
        }

        /**
         * 实现AQS的接口,释放共享锁的判断
         */
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int ignore) {
            // 始终返回true,代表可以release
            return true;
        }

        boolean innerState() {
            return isTrue(getState());
        }

        void innerGet() throws InterruptedException {
            acquireSharedInterruptibly(0);
        }

        void innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, TimeoutException {
            if (!tryAcquireSharedNanos(0, nanosTimeout)) throw new TimeoutException();
        }

        void innerSetTrue() {
            for (; ; ) {
                int s = getState();
                if (s == TRUE) {
                    return; // 直接退出
                }
                if (compareAndSetState(s, TRUE)) {// cas更新状态,避免并发更新true操作
                    releaseShared(0);// 释放一下锁对象,唤醒一下阻塞的Thread
                    return;
                }
            }
        }

        void innerSetFalse() {
            for (; ; ) {
                int s = getState();
                if (s == FALSE) {
                    return; // 直接退出
                }
                if (compareAndSetState(s, FALSE)) {// cas更新状态,避免并发更新false操作
                    return;
                }
            }
        }

    }

}

总结:

AQS分为独占锁和共享锁两种模式:

  • 独占锁

    执行**acquire(int arg)**时,只能有一个线程,多个线程的话会被加入到阻塞队列中同步执行

    执行**release()**时唤醒下一个线程

    tryAcquire(int arg)返回的是boolean

  • 共享锁

    执行**acquireShared(int arg)**时,可以多个线程进行争抢

    执行**releaseShared()**时如果成功, 则把队列中所有的线程全部执行

    **releaseShared()**完成后才返回

    tryAcquireShared(int arg)返回的是int类型的值

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