面试准备 -- AQS 简述

本文围绕 JUC 包下核心类 AQS(队列同步器)展开。介绍了 AQS 提供的通用并发管理模板,包括线程同步态、通信、队列管理支持。还阐述了其为线程通信、锁中断与超时、独占/共享锁机制提供的支持,以及部分方法和同步状态保证方式,后续将从相关类深入学习。

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面试中最常见的面试题可以说是 JUC 包下最核心的一个点 – AQS(也叫队列同步器)。

AQS 全称叫 AbstractQueuedSynchronizer,是 JUC 包下一个核心类,该框架提供了一整套通用并发管理模板,为线程的同步态,线程间通信,线程队列管理提供了支持。

AQS 提供的模板框架:
但我们点击进去 AbstractQueuedSynchronizer 类时,发现大部分的方法都是私有的,不允许外部直接访问。不仅如此,方法还定义为 final 类型,不允许继承去重写方法实现。

AQS 为线程间通信提供支持:
AQS 类内部创建了内部类 ConditionObject 类,实现了 Condition 接口(具体后面章节讲解)。该接口提供了线程间阻塞与唤醒的方法,与 Object 类中提供的 notity() 、wait() 方法类似。

AQS 为锁中断,超时提供支持:
我们先来看看 synchronizer 内置锁与显示锁的对比信息

synchronizerLock
超时中断×
独占
共享×
等待队列

synchronizer 内置锁使用起来十分简便,可以很好的处理遇到的并发的情况。但是也会带来一些问题,就是无法中断这个锁,一旦程序写的不好,出现死锁情况时,可以唱一首《凉凉》压压惊。

AQS 框架提供了可中断机制,弥补了内置锁的不足,在阻塞操作的基础上增加了可选的超时设置,可以让调用者放弃该调用,也可以中断正在阻塞的线程,还可以尝试去拿锁,不再是一调用拿取不成功就等待的内置锁了。

AQS 提供独占/共享锁机制:
AQS 实现中有和内置锁一致的独占锁(排他锁),仅能一条线程得到锁,其他没得到锁的线程进入队列中挂起等待。

但是独占锁的性能比较低下。一般来说,如果是读操作,可以不需要锁的,只有写操作时,要保证数据正确才进行加锁。而独占锁不管你是谁,统统都要排队拿锁,这就造成了性能瓶颈。为此就有共享锁机制的出现,而 AQS 框架也提供了共享锁实现,后续文章在详细介绍。

下面简单介绍同步器中部分方法:

同步器中可重写的方法(图摘自并发编程艺术)
在这里插入图片描述
也只又这五个方法可以进行重写了,其他都被标注了 final 关键字,只能通过继承去调用。

当然还有其他方法,比如前面文章也一直见到的 CAS 操作,AQS 当然也是缺少不了他们的,下面简单看看这几个方法:

方法描述
compareAndSetNextCAS设置节点 next 指向
compareAndSetWaitStatusCAS 设置节点等待状态
compareAndSetTailCAS 设置队列尾指针
compareAndSetHeadCAS 设置队列头指针
compareAndSetStateCAS 设置锁状态

AQS 如何保证同步状态呢?
答案就再如下了,AQS 内部维护了一个 volatile 修饰的 state 状态,通过调用 CAS 操作来改变 state 的值来判断当前锁状态。

    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;
    }
    /**
    * CAS 修改 state 值
    * 修改锁状态
    */
	protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

AQS 简述就先介绍到这里,关于 AQS 内容及其庞大,设计知识点很广泛。如果直接看 AQS 源代码估计会一脸懵逼,接下来会会从 ReentrantLock,Condition,CountDownLatch 等这些类进行来学习 AQS。

有兴趣的同学可以关注公众号,一起学习!
在这里插入图片描述

### 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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