简述AQS(AbstractQuenedSynchronizer)---抽象的队列式同步器
AQS(AbstractQueuedSynchronizer)就是抽象的队列式的同步器,AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,许多同步类实现都依赖于它,AQS是一个Java提供的底层同步工具类,用一个int类型的变量表示同步状态,并提供了一系列的CAS操作来管理这个同步状态。AQS的主要作用是为Java中的并发同步组件提供统一的底层支持,如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch等等就是基于AQS实现的,用法是通过继承AQS实现其模版方法,然后将子类作为同步组件的内部类。
同步队列是AQS很重要的组成部分,它是一个双端队列,遵循FIFO原则,主要作用是用来存放在锁上阻塞的线程,当一个线程尝试获取锁时,如果已经被占用,那么当前线程就会被构造成一个Node节点加入到同步队列的尾部,队列的头节点是成功获取锁的节点,当头节点线程释放锁时,会唤醒后面的节点并释放当前头节点的引用。
它维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。state的访问方式有三种:
getState、setState 和 compareAndSetState
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)。
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。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:
1)isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
2)tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
3)tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
4)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。
5)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: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。
CountDownLatch: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。
- AQS获取独占锁/释放独占锁原理
- 获取(acquire) :
1)调用 tryAcquire 方法安全地获取线程同步状态,获取失败的线程会被构造同步节点并通过 addWaiter 方法加入到同步队列的尾部,在队列中自旋。
2)调用 acquireQueued 方法使得该节点以死循环的方式获取同步状态,如果获取不到则阻塞。 - 释放(release):
1)调用 tryRelease 方法释放同步状态
2)调用 unparkSuccessor 方法唤醒头节点的后继节点,使后继节点重新尝试获取同步状态。
- AQS获取共享锁/释放共享锁原理
- 获取(acquireShared):
调用 tryAcquireShared 方法尝试获取同步状态,返回值不小于 0 表示能获取同步状态。 - 释放(releaseShared):
释放,并唤醒后续处于等待状态的节点。