java面试--AQS原理及AQS同步组件

AQS 原理概览

AQS的核心思想为：如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，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是使用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。它是一个抽象类，主要是通过继承的方式来使用，只是定义了一套多线程访问共享资源的框架

 

CLH队列是一个虚拟的双向队列(不存在队列的实例，只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队列的一个节点来实现锁得分配

AQS使用一个int的变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值得修改。可以通过三种方式来获取state变量getState() ，setState() ，compareAndSetState()

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

AQS对资源的共享方式

Exclusive(独占):只有一个线程能执行，如ReentrantLock[又可分为公平锁与非公平锁两种方式]

Share(共享)：多个线程可以同步执行，如Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock等等

AQS底层使用了模板方法模式

AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法。

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，成功则返回true，失败则返回false。

 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，只有这几个方法可以被其他类使用。

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(Compare and Swap)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。

AQS原理详解：

其继承关系为(Sync为其的静态内部类)：

AQS的实现依赖内部的同步队列,也就是FIFO的双向队列(相当于一个同步队列)，如果当前线程竞争锁失败，那么AQS会把当前线程以及等待状态信息构造成一个Node加入到同步队列中，同时再阻塞该线程。当获取锁的线程释放锁以后，会从队列中唤醒一个阻塞的节点(线程)。 

ConditionObject内部类

 ConditionObject是AQS中定义的内部类，实现了Condition接口，ConditionObject是基于Lock实现的，在其内部通过对列来维护等待队列（条件队列，而非同步队列）。Contidion必须在lock的同步控制块中使用，调用Condition的signal方法并不代表线程可以马上执行，signal方法的作用是将线程所在的节点从等待队列中移除，然后加入到同步队列中，线程的执行始终都需要根据同步状态（即线程是否占有锁）。

当成功调用了Condition的await方法，此时线程拿到了锁，接下来需要将当前线程的节点从同步队列中移除，在await方法内部的addConditionWaiter执行后，节点加入到了等待队列中；之后await方法会通过isOnSyncQueue方法判断，节点是否在同步队列中；signal和signalAll方法就是将条件队列中的节点按顺序移除，并重新添加到同步队列。就是通过Condition来实现ReenTrantLock的多条件锁。

点击查看更多Condition

Node结点的结构：

static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;
        volatile int waitStatus;
        volatile Node prev; //前驱节点
        volatile Node next; //后继节点
        volatile Thread thread;//当前线程
        Node nextWaiter; //存储在condition队列中的后继节点
        //是否为共享锁
        final boolean isShared() { 
            return nextWaiter == SHARED;
        }
 
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }
 
        Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
        }
        //将线程构造成一个Node，添加到等待队列
        Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }
        //这个方法会在Condition队列使用，后续单独写一篇文章分析condition
        Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    }

 

基于AQS的同步组件：

1、Semaphore(信号量)：允许多个线程同步访问

synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源.Semaphore是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信 号，做完自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。主要方法为：acquire,tryAcquire,release等

Semaphore构造方法：

  public Semaphore(int permits) {  //非公平锁
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
 
    public Semaphore(int permits, boolean fair) { //公平锁
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }
 

实现：

public class SemaphoreExample1 {
	// 请求的数量
	private static final int threadCount = 550;
 
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		// 创建一个具有固定线程数量的线程池对象（如果这里线程池的线程数量给太少的话你会发现执行的很慢）
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(300);
		// 一次只能允许执行的线程数量。
		final Semaphore semaphore = new Semaphore(20);
 
		for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
			final int threadnum = i;
			threadPool.execute(() -> {// Lambda 表达式的运用
				try {
					semaphore.acquire();// 获取一个许可，所以可运行线程数量为20/1=20
					test(threadnum);
					semaphore.release();// 释放一个许可
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
 
			});
		}
		threadPool.shutdown();
		System.out.println("finish");
	}
 
	public static void test(int threadnum) throws InterruptedException {
		Thread.sleep(1000);// 模拟请求的耗时操作
		System.out.println("threadnum:" + threadnum);
		Thread.sleep(1000);// 模拟请求的耗时操作
	}
}

2、CountDownLatch （倒计时器）

CountDownLatch是一次性的，计数器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当CountDownLatch使用完毕后，它不能再次被使用。

CountDownLatch 的两种典型用法:

①某一线程在开始运行前等待n个线程执行完毕。将 CountDownLatch 的计数器初始化为n ：new CountDownLatch(n)，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减1 countdownlatch.countDown()，当计数器的值变为0时，在CountDownLatch上 await() 的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。

②实现多个线程开始执行任务的最大并行性。注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的 CountDownLatch 对象，将其计数器初始化为 1 ：new CountDownLatch(1)，多个线程在开始执行任务前首先 coundownlatch.await()，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为0，多个线程同时被唤醒。

3、CyclicBarrier(循环栅栏)

CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

另外，CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction.

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch是计数器，只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器提供reset功能，可以多次使用。

对于CountDownLatch来说，重点是“一个线程（多个线程）等待”，而其他的N个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。而对于CyclicBarrier，重点是多个线程，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。CountDownLatch是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而CyclicBarrier更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。

 

于2020/09/28完成

参考链接：

https://www.imooc.com/article/258571

https://segmentfault.com/a/1190000017372067