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并发编程的AQS你晓得多少呢?

Eric
2022-03-25 / 0 评论 / 0 点赞 / 224 阅读 / 1,741 字 / 正在检测是否收录...
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并发编程的AQS你晓得多少呢?

AQS的背景由来

在JDK1.5的时候就引入了JUC包,也就是从这一个包开始,提供了一系列支持并发的组件。这一些组件呢是通过一个叫同步器来维护着的,同步器主要是维护这几个功能:第一个是同步状态的管理,第二个是同步状态的更新和检查。下面来看看juc是由什么组件构成的。

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我们知道,同步器可以用来实现其他形式的同步器。就好比如用可重入锁实现了信号量,反之信号量也能实现可重入锁,这样的方式会明显具有不灵活性、复杂性。所以的话通过AQS这个组件来构建juc的工具类,这就是AQS的产生背景了。

AQS的结构

分析下面的AQS结构可以看出来有同步器的状态变更操作,线程阻塞和释放操作、插入和移出队列操作。

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同步状态:

AQS类是使用了单个int来保存同步状态的,并且把get/setState和compareAndSet暴露出去,来读取与更新这个同步状态。这里面的state是volatile,并且又通过CAS指令来实现了compareAndSetState,使得当同步状态同步的状态有一个一致的期望值的时候,才会被原子设置新值。这样就可以达到了同步状态的原子性管理,确保了同步状态的原子性,可见性和有序性。

阻塞

阻塞和解除线程它都是属于Java内的内置管程,没有其他不是Java内置的API可以让线程阻塞和解除线程阻塞。

队列:

整个框架的核心就是怎么管理这个线程阻塞队列,这个队列是先进先出队列,所以的话是不支持线程的优先级同步。同步队列自身没有使用到底层的锁来构造不是阻塞的数据结构。

入队操作:因为CLH队列是FIFO队列,所以新节点来的时候,是需要插入到队列的尾结点。

出队操作:遵循FIFO的规则,首节点在释放线程的同步状态时,会把后续的节点唤醒,而后续的节点再获得AQS同步状态,所以的话在设置首节点就不需要像入队那样操作。只需要把首节点设置为源节点的后续节点,同时又断开源节点后续节点的引用即可。

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条件队列: 队列除了有同步队列、还有条件队列。AQS只可以有一个同步队列,但是可以有多个条件队列,有一个ConditionObject类,给维护同步的类使用。ConditionObject类实现了Condition接口,这个接口提供了Object管程式方法,还有超时、检测和监控的这些方法。ConditionObject将条件跟其他的同步操作结合了。

ConditionObject和AQS是共用的内部节点,有属于自己的条件队列。

方法结构

组件数据结构
同步状态volatile int state
阻塞LockSupport类
队列Node节点
条件队列ConditionObject

独占式同步状态

独占式的同步状态是调用了acquire,主要是完成同步状态的获取、加入同步队列。同步队列自旋等相关的操作,逻辑是这样的:首先是调用了子类实现tryAcquire的方法,这个方法可以保证线程的安全获取同步状态,这时候如果是获取失败的话,就构造了独占式的同步节点,然后再通过addwaiter方法把这个节点加入到同步队列的尾部,最后调用了acquireQueued方法,就让该节点自旋方式获取同步状态。

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

tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回,AQS里面未实现但没有定义成abstract,因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease,而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared,类似设计模式里面的适配器模式

addWaiter() 根据不同模式将线程加入等待队列的尾部,有Node.EXCLUSIVE互斥模式、Node.SHARED共享模式;如果队列不为空,则以通过compareAndSetTail方法以CAS将当前线程节点加入到等待队列的末尾。否则通过enq(node)方法初始化一个等待队列

acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源,一直获取到资源后才返回,如果在等待过程中被中断,则返回true,否则返回false

节点自旋

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独占式获取同步状态流程图

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AQS的应用

  • ReentrantLock: ReentrantLock使用AQS同步状态来存储锁重复持有的次数。当锁被线程获取时,ReentrantLock也会记录下当前获得锁的线程标识,以检查是否是重复获取,以及当错误的线程试图进行解锁操作时检测是否存在非法状态异常。

  • ReentrantReadWriteLock: ReentrantReadWriteLock类使用AQS同步状态中来保存写锁持有的次数和读锁的持有次数。ReadLock则通过使用acquireShared方法来支持多个读线程。

  • Semaphore: Semaphore类(信号量)使用AQS同步状态来保存信号量的当前计数。它里面定义的acquireShared方法会减少计数,或当计数为非正值时阻塞线程;tryRelease方法会增加计数,在计数为正值时还要解除线程的阻塞。

  • CountDownLatch: CountDownLatch使用AQS同步状态来表示计数。当该计数为0时,所有的acquire操作对应到CountDownLatch中才能通过。

  • FutureTask: FutureTask类使用AQS同步状态来表示某个异步计算任务的运行状态(初始化、运行中、被取消和完成)。设置(FutureTask的set方法)或取消(FutureTask的cancel方法)一个FutureTask时会调用AQS的release操作,等待计算结果的线程的阻塞解除是通过AQS的acquire操作实现的。

  • SynchronousQueues: SynchronousQueues类使用了内部的等待节点,这些节点可以用于协调生产者和消费者。同时,它使用AQS同步状态来控制当某个消费者消费当前一项时,允许一个生产者继续生产,反之亦然。

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