java并发 —— AQS 详细介绍_java aqs

1. AQS

1.1 AQS 简单介绍

AQS 的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

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， 比如我们提到的 ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask(jdk1.7) 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

1.2 AQS 原理

1.2.1 AQS 原理概览

AQS 核心思想是，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，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。

看个 AQS (AbstractQueuedSynchronizer)原理图：

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的修改。

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

1.2.2 AQS 对资源的共享方式

AQS 定义两种资源共享方式

1) Exclusive（独占）

只有一个线程能执行，如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁,ReentrantLock 同时支持两种锁,下面以 ReentrantLock 对这两种锁的定义做介绍：

下面来看 ReentrantLock 中相关的源代码：

ReentrantLock 默认采用非公平锁，因为考虑获得更好的性能，通过 boolean 来决定是否用公平锁（传入 true 用公平锁）。

ReentrantLock 中公平锁的 lock 方法

非公平锁的 lock 方法：

总结：公平锁和非公平锁只有两处不同：

公平锁和非公平锁就这两点区别，如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的， 都要进入到阻塞队列等待唤醒。

相对来说，非公平锁会有更好的性能，因为它的吞吐量比较大。当然，非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定，可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。

1) Share（共享）

1.2.3 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：

1.3 Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问

synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。

示例代码如下：

执行 acquire 方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；每个 rerelease方法增加一个许可证，这可能会释放一个阻塞的 acquire 方法。然而，其实并没有实际的许可证这个对象，Semaphore 只是维持了一个可获得许可证的数量。 Semaphore 经常用于限制获取某种资源的线程数量。

当然一次也可以一次拿取和释放多个许可，不过一般没有必要这样做：

除了 acquire 方法之外，另一个比较常用的与之对应的方法是tryAcquire 方法，该方法如果获取不到许可就立即返回 false。

Semaphore 有两种模式，公平模式和非公平模式。

公平模式： 调用 acquire 的顺序就是获取许可证的顺序，遵循 FIFO；

非公平模式： 抢占式的。

Semaphore 对应的两个构造方法如下：

这两个构造方法，都必须提供许可的数量，第二个构造方法可以指定是公平模式还是非公平模式，默认非公平模式。

补充：Semaphore与CountDownLatch一样，也是共享锁的一种实现。它默认构造AQS的state为permits。当执行任务的线程数量超出permits,那么多余的线程将会被放入阻塞队列Park,并自旋判断state是否大于0。只有当state大于0的时候，阻塞的线程才能继续执行,此时先前执行任务的线程继续执 行release方法，release方法使得state的变量会加1，那么自旋的线程便会判断成功。如此，每次只有最多不超过permits数量的线程能自旋成功，便限制了执行任务线程的数量。

1.4 CountDownLatch （倒计时器）

1.4.1 CountDownLatch 的两种典型用法

1.4.2 CountDownLatch 的使用示例

上面的代码中，我们定义了请求的数量为 550，当这 550 个请求被处理完成之后，才会执行

System.out.println("finish");

与 CountDownLatch 的第一次交互是主线程等待其他线程。主线程必须在启动其他线程后立即调用 CountDownLatch.await()方法。这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞，直到其他线程完成各自的任务。

其他 N 个线程必须引用闭锁对象，因为他们需要通知CountDownLatch对象，他们已经完成了各自的任务。这种通知机制是通过CountDownLatch.countDown()方法来完成的；每调用一次这个方法，在构造函数中初始化的 count 值就减 1。所以当 N 个线程都调 用了这个方法，count 的值等于 0，然后主线程就能通过 await() 方法，恢复执行自己的任务。

再插一嘴： CountDownLatch 的await()方法使用不当很容易产生死锁，比如我们上面代码中的 for循环改为：

这样就导致 count 的值没办法等于 0，然后就会导致一直等待。

1.4.3 CountDownLatch 的不足

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。

1.4.4 CountDownLatch 项常见面试题

解释一下 CountDownLatch 概念？

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的不同之处？

给出一些 CountDownLatch 使用的例子？

CountDownLatch 类中主要的方法？

1.5 CyclicBarrier(循环栅栏)

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。

CountDownLatch的实现是基于AQS的，而CycliBarrier是基于 ReentrantLock(ReentrantLock也属于AQS同步器)和 Condition 的.

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。

再来看一下它的构造函数：

其中，parties 就代表了有拦截的线程的数量，当拦截的线程数量达到这个值的时候就打开栅栏，让所有线程通过。

1.5.1 CyclicBarrier 的应用场景

1.5.2 CyclicBarrier 的使用示例

示例 1：

运行结果，如下：

可以看到当线程数量也就是请求数量达到我们定义的 5 个的时候， await 方法之后的方法才被执行。

另外，CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(intparties,RunnablebarrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下：

运行结果，如下：

1.5.3 CyclicBarrier 源码分析

dowait(false, 0L) ：

总结： CyclicBarrier 内部通过一个 count 变量作为计数器，cout 的初始值为 parties 属性的初始化值，每当一个线程到了栅栏这里了，那么就将计数器减一。如果 count 值为 0 了，表示这是这一代最后一个线程到达栅栏，就尝试执行我们构造方法中输入的任务。

1.5.4CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别

下面这个是国外一个大佬的回答：

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。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从 jdk 作者设计的目的来看，javadoc 是这么描述它们的：

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。

1.6 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock 和 synchronized 的区别在上面已经讲过了这里就不多做讲解。另外，需要注意的是： 读写锁 ReentrantReadWriteLock 可以保证多个线程可以同时读，所以在读操作远大于写操作的时候， 读写锁就非常有用了。