Chiaki's Blog

关于AQS

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#简介

AQS全称为AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列式同步器，位于java.util.concurrent.locks包下。

AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如ReentrantLock和Semaphore，其他的诸如ReentrantLock、SynchronousQueue、FutureTask等都是基于AQS的。利用AQS可以很容易地构造出复合需求地同步器。

#原理

核心思想：如果被请求地资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为工作线程，并且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）。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁分配。

AQS原理图[1]：

aqs-clh.png

AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值得修改。

private volatile int state; // 共享变量，使用volatile修饰保证可见性

状态信息通过protected类型得getState，setState，compareAndSetState进行操作。

// 返回同步状态得当前值
protected final int getState() {
    return state;
}
// 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
// CAS操作设置状态的值
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateoffset, expect, update);
}

AQS对资源的共享方式：

  • Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又可以分为公平锁和非公平锁：
    • 公平锁：按照线程再队列中的排队顺序，先到者先拿到锁；
    • 非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的。
  • Share（共享）：多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。

另外ReentrantReadWriteLock读写锁同时实现了独占和共享两种方式。

AQS底层使用了模板设计模式

AQS是基于模板设计模式实现的，在自定义同步器时需要做到：

  • 继承AbstractQueuedSynchronizer并重写与共享资源state相关的的获取和释放的方法；
  • 将AQS组合在自定义同步组建的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用重写的方法。

AQS使用模板设计模式，自定义同步器时需要重写下面集个AQS提供的模板方法：

// 该线程是否正在独占资源。只有⽤到condition才需要去实现它。
isHeldExclusively()
// 独占方式。尝试获取资源，成功返回true否则返回false
tryAcquire(int)
// 独占方式。尝试释放资源，成功返回true否则返回false
tryRelease(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；整数表示成功且有剩余资源
tryAcquireShared(int)
// 共享方式。尝试释放资源，成功返回true否则返回false
tryReleaseShared(int)

默认情况下，每个方法都抛出UnsupportedOperationException。这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final，所以无法被其他类使用，只用这几个方法可以被其他类使用。

以ReentrantLock和CountDownLatch为例：

  • 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，其他线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己可以重复获取此锁（state会累加），即可重入。要注意的是获取多少次锁就要释放多少次，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个线程是并行执行的，每个子线程执行完后CountDown()一次，state会原子更新（CAS）并减1。等到所有子线程都执行完后（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。

  1. AQS原理 ↩︎