JUC之AQS

[color=red]AQS是同步框架,它进行两个方面的工作:资源的管理和资源申请者的管理。[/color]对应由两部分组成: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()
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)。

[color=red]实现自定义同步器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。[/color]

自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:
	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。


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。

[color=red]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[/color]。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。
理解了这些,可以很容易的自定义同步器类,如下例子:

class Mutex implements Lock , Serializable{
private static class Syn extends AbstractQueuedSynchronizer{
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState()==1;
}
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
assert arg==1;
if(compareAndSetState(0,1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
assert arg==1;
if(getState()==0)
throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
}
private Syn syn=new Syn();
public void lock() {
syn.acquire(1);
}
public void unlock() {
syn.release(1);
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException{
syn.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock(){
return syn.tryAcquire(1);
}
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException{
return syn.tryAcquireNanos(1,unit.toNanos(time));
}
public Condition newCondition(){
return null;
}
}


上面说,AQS对资源申请者的管理已经在顶层实现好了,自定义同步器时仅仅需要重写几种特定的方法,不需要关心队列的实现细节。但这里还是简要的了解下。
先看acquire()方法:acquire()方法是独占模式获取资源的顶级入口。代码如下:

 public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}


流程如下:
1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;
2. 没成功,则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息,有机会时(轮到自己,会被unpark())会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
4. 如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。

再看release()方法,release()方法是独占模式下释放资源的顶级入口。代码如下:

public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;//找到头结点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
return true;
}
return false;
}

至此,关于AQS的简单介绍就结束了。AQS是许多常用类的基础,比如ReentrantLock,Semaphore,ReentrantReadWriteLock,CountDownLatch等等,都是基于AQS构建的。感兴趣的话可以去看他们的实现。
### Java JUC AQS 并发编程 抽象队列同步器 使用教程 源码解析 #### 什么是AQS? `AbstractQueuedSynchronizer`(简称AQS),作为Java并发包中的核心组件之一,提供了用于实现锁和其他同步器的基础框架。它不仅简化了锁和同步工具的创建过程,还提高了这些工具的工作效率[^2]。 #### 类图结构与工作原理 AQS的设计围绕着一个FIFO(先进先出)等待队列展开,该队列由多个节点组成,每个节点代表了一个正在等待获取资源的线程。每当有新的竞争者未能立即获得所需资源时,就会被构造成一个新的节点并加入到这个队列之中;而当现有持有者释放其持有的资源之后,则会从队头开始依次唤醒后续等待者去尝试占有资源[^5]。 #### 同步模式分类 为了适应不同场景下的需求,AQS支持两种主要类型的同步方式——独占式以及共享式: - **独占式**:一次只允许单个线程访问临界区,在这种情况下其他任何试图进入同一区域内的请求都将被迫挂起直到前序操作完成为止; - **共享式**:允许多个读取者同时存在而不互相干扰,只要不存在写入动作发生即可保持一致性和安全性[^3]。 #### 自定义同步器的关键接口 对于想要利用AQS来构建特定行为逻辑的新类型而言,开发者通常需要重载以下几个抽象方法以适配具体的应用环境: - `tryAcquire(int arg)` 和 `tryRelease(int arg)` - `tryAcquireShared(int arg)` 及 `tryReleaseShared(int arg)` - `isHeldExclusively()` 上述函数分别对应于独占/共享模式下对资源的操作控制流程,通过合理地覆盖它们可以轻松打造出满足业务特性要求的各种高级别同步原语[^1]。 ```java public class CustomSync extends AbstractQueuedSynchronizer { protected boolean tryAcquire(int acquires) { // 实现具体的独占式获取逻辑 return super.tryAcquire(acquires); } protected boolean tryRelease(int releases) { // 实现具体的独占式释放逻辑 return super.tryRelease(releases); } } ``` #### 队列管理机制详解 在实际运行过程中,AQS内部维护了一条双向链表形式的数据结构用来存储各个待处理的任务单元。每当新成员到来之时便会调用`enqueue()`方法将其追加至末端位置上形成完整的链条关系网状链接,并且借助CAS指令保证整个插入过程的安全可靠性质不受外界因素影响破坏[^4]。
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