java 并发编程之AQS(并发界的扫地僧)

AQS是什么

所谓AQS，指的是AbstractQueuedSynchronizer，中文:抽象的队列式的同步器.它提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等并发类均是基于AQS来实现的，具体用法是通过继承AQS实现其模板方法，然后将子类作为同步组件的内部类。把它比喻成扫地僧是比较合理的,把线程相关技术比喻成一些武功秘籍,那么AQS就是作者,掌握了秘籍的灵魂.

AQS示意图

 

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）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，在此不述。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）。

　　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：

• 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，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回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。

　　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。

用AQS自己模拟一个CountDownLatch

package com.zhang.myjuc.a8.aqs;

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

/**
 * MyCountDownLatch:自己用AQS实现一个简单的线程协作器,就相当于一次性的CountDownLatch
 *
 * @author zhangxiaoxiang
 * @date 2020/08/26
 */
public class MyCountDownLatch {
    private final Sync sync = new Sync();

    /**
     * 以共享模式发布。如果tryReleaseShared返回true，则通过解除一个或多个线程的阻塞来实现。
     */
    public void signal() {
        sync.releaseShared(0);
    }

    /**
     * 以共享模式获取，忽略中断。首先至少调用一次tryacquiremred，成功后返回。否则，线程会排队，
     * 可能会反复阻塞和解除阻塞，调用tryacquiremred直到成功。
     */
    public void await() {
        sync.acquireShared(0);
    }

    /**
     * 内部类
     */
    private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        /**
         * 尝试在共享模式中获取。此方法应该查询对象的状态是否允许在共享模式下获取它，如果允许，则获取它
         *
         * @param arg
         * @return
         */
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {
            return (getState() == 1) ? 1 : -1;
        }

        /**
         * 尝试设置状态以反映共享模式下的发布。 这个方法总是由执行释放的线程调用。
         *
         * @param arg
         * @return
         */
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            setState(1);
            return true;
        }
    }
    //测试
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyCountDownLatch myCountDownLatch = new MyCountDownLatch();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取latch,获取失败就在哪里等待");
                myCountDownLatch.await();
                System.out.println("开闸放行" + Thread.currentThread().getName() + "继续运行");
            }).start();
        }
        Thread.sleep(5000);
        myCountDownLatch.signal();
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取latch,获取失败就在哪里等待");
            myCountDownLatch.await();
            System.out.println("开闸放行" + Thread.currentThread().getName() + "继续运行");
        }).start();

    }
}

运行结果