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什么是AQS(Abstract Queued Synchronizer) -抽象队列同步器

        AQS ( Abstract Queued Synchronizer )是一个抽象的队列同步器,通过维护一个共享资源状态( Volatile Int State )和一个先进先出( FIFO )的线程等待队列来实现一个多线程访问共享资源的同步框架。

一、AQS原理

         AQS 为每个共享资源都设置一个共享资源锁,线程在需要访问共享资源时首先需要获取共享资源锁,如果获取到了共享资源锁,便可以在当前线程中使用该共享资源,如果获取不到,则将该线程放入线程等待队列,等待下一次资源调度,具体的流程如图 -14所示。许多同步类的实现都依赖于AQS ,例如常用的 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch。

AQS.png

二、state:状态

        Abstract Queued Synchronizer 维护了 volatile int 类型的变量,用于表示当前的同步状态。volatile虽然不能保证操作的原子性,但是能保证当前变量state的可见性。

        state的访问方式有三种: getState()、setState()和 compareAndSetState(),均是原子操作,其中,compareAndSetState的实现依赖于 Unsafe的compareAndSwaplnt() 具体的。JDK 码实现如下:

AQS-CODE.png

三、AQS共享资源的方式:独占式和共享式

        AQS 定义了两种资源共享方式 :独占式 (Exclusive)和共享式(Share)

独占式:只有一个线程能执行,具体的 Java 实现有 ReentrantLock。

共享式:多个线程可同时执行,具体的 Java 实现有 Semaphore和CountDownLatch。

        AQS只是一个框架 ,只定义了一个接口,具体资源的获取、释放都 由自定义同步器去实现。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,不需要具体的同步器再做处理。自定义同步器的主要方法如表所示:

AQS同步器方法.png

        同步器的实现是 AQS的核心内存。 ReentrantLock对AQS的独占方式实现为:ReentrantLock中的state初始值为0表示无锁状态。在线程执行 tryAcquire()获取该锁后ReentrantLock中的state+1,这时该线程独占ReentrantLock锁,其他线程在通过tryAcquire() 获取锁时均会失败,直到该线程释放锁后state再次为0,其他线程才有机会获取该锁。该线程在释放锁之前可以重复获取此锁,每获取一次便会执行一次state+1, 因此ReentrantLock也属于可重入锁。 但获取多少次锁就要释放多少次锁,这样才能保证state最终为0。如果获取锁的次数多于释放锁的次数,则会出现该线程一直持有该锁的情况;如果获取锁的次数少于释放锁的次数,则运行中的程序会报锁异常。

        CountDownLatch对AQS的共享方式实现为:CountDownLatch 将任务分为N个子线程去执行,将 state 初始化为 N, N与线程的个数一致,N个子线程是井行执行的,每个子线程都在执行完成后 countDown()1次, state 执行 CAS 操作并减1。在所有子线程都执行完成( state=O)时会unpark()主线程,然后主线程会从 await()返回,继续执行后续的动作。

        一般来说,自定义同步器要么采用独占方式,要么采用共享方式 ,实现类只需实现tryAcquire、tryRelease、tryseAcquireShared、tryReleaseShared 中的一组即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,例如 ReentrantReadWriteLock 在读取时采用了共享方式,在写入时采用了独占方式。

四、小结

同步器的实现是 AQS 核心(state 资源状态计数)
同步器的实现是 AQS 核心,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。
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。
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