第九章 JUC并发编程

JUC并发编程系列文章

http://t.csdn.cn/UgzQi

前言

一、AQS原理

1、概述

2、自定义不可重入锁

使用 AQS加 Lock 接口实现简单的不可重入锁

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

@Slf4j(topic = "c.testThread29")
public class testThread29 {
    /**
     *   T2需要等待 T1 释放锁后才能执行
     * 16:44:09 [T1] c.testThread29 - locking....
     * 16:44:10 [T1] c.testThread29 - unlocking....
     * 16:44:10 [T2] c.testThread29 - locking....
     * 16:44:10 [T2] c.testThread29 - unlocking....
     *
     */
    public static void main(String[] args) {
        MyLock lock = new MyLock();

        new Thread(()->{
            lock.lock();
            //不能两次加锁，因为是不可重入锁
            //lock.lock();

            try {
                log.debug("locking....");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                log.debug("unlocking....");
                lock.unlock();
            }
        },"T1").start();


        new Thread(()->{
            lock.lock();

            try {
                log.debug("locking....");
            } finally {
                log.debug("unlocking....");
                lock.unlock();
            }
        },"T2").start();
    }
}


//自定义锁，继承AQS同步器，重写几个重要的方法
final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        //判断状态，传入 1 表示尝试加锁
        if (acquires == 1){
            //原子加锁
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                //锁住当前线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    //释放锁
    @Override
    protected boolean tryRelease(int acquires) {
        //判断状态，传入 1 表示尝试加锁，这里是解锁，传入 1，直接返回 false
        if(acquires == 1) {
            //释放锁时，如果锁没有被当前线程占用，当前线程不能释放锁，抛出异常。
            if(getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        return false;
    }

    protected Condition newCondition() {
        //直接返回一个添加变量
        return new ConditionObject();
    }

    //判断锁的状态，1为已被持有加锁，0为未加锁没有线程持有
    @Override
    protected boolean isHeldExclusively() {
        return getState() == 1;
    }

}


//自定义不可重入锁，使用上面AQS自定义的同步器
class MyLock implements Lock {


    //创建AQS对象
    static MySync sync = new MySync();

    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，可打断
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    // 尝试一次，不成功返回，不进入队列
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，有时限
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    // 释放锁
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    @Override
    // 生成条件变量
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

}

3、心得

早期程序员会自己通过一种同步器去实现另一种相近的同步器，例如用可重入锁去实现信号量，或反之。这显然不够优雅，于是在 JSR166（java 规范提案）中创建了 AQS，提供了这种通用的同步器机制。

AQS 要实现的功能目标
● 阻塞版本获取锁 acquire 和非阻塞的版本尝试获取锁 tryAcquire
● 获取锁超时机制
● 通过打断取消机制
● 独占机制及共享机制
● 条件不满足时的等待机制

AQS的设计思想其实很简单

获取锁的逻辑

while(state 状态不允许获取) {
    if(队列中还没有此线程) {
        入队并阻塞
    }
}
当前线程出队

释放锁的逻辑

if(state 状态允许了) {
    恢复阻塞的线程(s) 
}

要点
● 原子维护 state 状态
● 阻塞及恢复线程
● 维护队列

主要用到 AQS 的并发工具类

二、ReentrantLock原理

1、非公平锁实现原理

加锁解锁流程 P239

没有竞争时（占有锁）

第一个竞争出现时（发生排队）

原OwnerThread释放锁时

队列内线程抢到锁

队列外线程抢到锁

加锁源码

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
    
    // 加锁实现
    final void lock() {
        // 首先用 cas 尝试（仅尝试一次）将 state 从 0 改为 1, 如果成功表示获得了独占锁
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 如果尝试失败，进入 ㈠
            acquire(1);
    }
    
    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
        // ㈡ tryAcquire 
        if (
            !tryAcquire(arg) &&
            // 当 tryAcquire 返回为 false 时, 先调用 addWaiter ㈣, 接着 acquireQueued ㈤
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }
    
    // ㈡ 进入 ㈢
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
    
    // ㈢ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 如果还没有获得锁
        if (c == 0) {
            // 尝试用 cas 获得, 这里体现了非公平性: 不去检查 AQS 队列
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        // 获取失败, 回到调用处
        return false;
    }
    
    // ㈣ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private Node addWaiter(Node mode) {
        // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 如果 tail 不为 null, cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                // 双向链表
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 尝试将 Node 加入 AQS, 进入 ㈥
        enq(node);
        return node;
    }
    
    // ㈥ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) {
                // 还没有, 设置 head 为哨兵节点（不对应线程，状态为 0）
                if (compareAndSetHead(new Node())) {
                    tail = head;
                }
            } else {
                // cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }
    
    // ㈤ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                // 上一个节点是 head, 表示轮到自己（当前线程对应的 node）了, 尝试获取
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 获取成功, 设置自己（当前线程对应的 node）为 head
                    setHead(node);
                    // 上一个节点 help GC
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 返回中断标记 false
                    return interrupted;
                }
                if (
                    // 判断是否应当 park, 进入 ㈦
                    shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // park 等待, 此时 Node 的状态被置为 Node.SIGNAL ㈧
                    parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    
    // ㈦ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        // 获取上一个节点的状态
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL) {
            // 上一个节点都在阻塞, 那么自己也阻塞好了
            return true;
        }
        // > 0 表示取消状态
        if (ws > 0) {
            // 上一个节点取消, 那么重构删除前面所有取消的节点, 返回到外层循环重试
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            // 这次还没有阻塞
            // 但下次如果重试不成功, 则需要阻塞，这时需要设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
    
    // ㈧ 阻塞当前线程
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
}

注意
● 是否需要 unpark 是由当前节点的前驱节点的 waitStatus == Node.SIGNAL 来决定，而不是本节点的 waitStatus 决定

解锁源码

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    // 解锁实现
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean release(int arg) {
        // 尝试释放锁, 进入 ㈠
        if (tryRelease(arg)) {
            // 队列头节点 unpark
            Node h = head; 
            if (
                // 队列不为 null
                h != null &&
                // waitStatus == Node.SIGNAL 才需要 unpark
                h.waitStatus != 0
            ) {
                // unpark AQS 中等待的线程, 进入 ㈡
                unparkSuccessor(h);
            }
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // ㈠ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // state--
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
    
    // ㈡ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        // 如果状态为 Node.SIGNAL 尝试重置状态为 0
        // 不成功也可以
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) {
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        }
        // 找到需要 unpark 的节点, 但本节点从 AQS 队列中脱离, 是由唤醒节点完成的
        Node s = node.next;
        // 不考虑已取消的节点, 从 AQS 队列从后至前找到队列最前面需要 unpark 的节点
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
}

2、可重入原理

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ...
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // state-- 
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

3、可打断原理

(默认)不可打断模式

在此模式下，即使它被打断，仍会驻留在 AQS 队列中，一直要等到获得锁后方能得知自己被打断了

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    // ...
    
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        // 如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效
        LockSupport.park(this);
        // interrupted 会清除打断标记
        return Thread.interrupted();
    }
    
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 还是需要获得锁后, 才能返回打断状态
                    return interrupted;
                }
                if (
                    shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    // 如果是因为 interrupt 被唤醒, 返回打断状态为 true
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    
    public final void acquire(int arg) {
        if (
            !tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            // 如果打断状态为 true
            selfInterrupt();
        }
    }
    
    static void selfInterrupt() {
        // 重新产生一次中断
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}

可打断模式：直接抛出异常

static final class NonfairSync extends Sync {
    public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 如果没有获得到锁, 进入 ㈠
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }
    
    // ㈠ 可打断的获取锁流程
    private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt()) {
                    // 在 park 过程中如果被 interrupt 会进入此
                    // 这时候抛出异常, 而不会再次进入 for (;;)
                    throw new InterruptedException();
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
}

4、公平锁实现原理

非公平锁不会检查阻塞队列，而是直接和队列的老二进行竞争，而公平锁会检查队列的老二是不是自己或者队列有没有其他线程，如果有会先执行队列中的线程

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
        if (
            !tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }
    // 与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法的实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有才去竞争
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        // h != t 时表示队列中有 Node
        return h != t &&
            (
            // (s = h.next) == null 表示队列中还有没有老二
            (s = h.next) == null ||
            // 或者队列中老二线程不是此线程
            s.thread != Thread.currentThread()
        );
    }
}

5、条件变量实现原理

await 流程

signal 流程

源码

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    
    // 第一个等待节点
    private transient Node firstWaiter;
    
    // 最后一个等待节点
    private transient Node lastWaiter;
    public ConditionObject() { }
    // ㈠ 添加一个 Node 至等待队列
    private Node addConditionWaiter() {
        Node t = lastWaiter;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            unlinkCancelledWaiters();
            t = lastWaiter;
        }
        // 创建一个关联当前线程的新 Node, 添加至队列尾部
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        else
            t.nextWaiter = node;
        lastWaiter = node;
        return node;
    }
    // 唤醒 - 将没取消的第一个节点转移至 AQS 队列
    private void doSignal(Node first) {
        do {
            // 已经是尾节点了
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
                lastWaiter = null;
            }
            first.nextWaiter = null;
        } while (
            // 将等待队列中的 Node 转移至 AQS 队列, 不成功且还有节点则继续循环 ㈢
            !transferForSignal(first) &&
            // 队列还有节点
            (first = firstWaiter) != null
        );
    }
    
    // 外部类方法, 方便阅读, 放在此处
    // ㈢ 如果节点状态是取消, 返回 false 表示转移失败, 否则转移成功
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        // 如果状态已经不是 Node.CONDITION, 说明被取消了
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        // 加入 AQS 队列尾部
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (
            // 上一个节点被取消
            ws > 0 ||
            // 上一个节点不能设置状态为 Node.SIGNAL
            !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 
        ) {
            // unpark 取消阻塞, 让线程重新同步状态
            LockSupport.unpark(node.thread);
        }
        return true;
    }
    // 全部唤醒 - 等待队列的所有节点转移至 AQS 队列
    private void doSignalAll(Node first) {
        lastWaiter = firstWaiter = null;
        do {
            Node next = first.nextWaiter;
            first.nextWaiter = null;
            transferForSignal(first);
            first = next;
        } while (first != null);
    }
    
    // ㈡
    private void unlinkCancelledWaiters() {
        // ...
    }
    // 唤醒 - 必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignal 内无需考虑加锁
    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }
    // 全部唤醒 - 必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignalAll 内无需考虑加锁
    public final void signalAll() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignalAll(first);
    }
    // 不可打断等待 - 直到被唤醒
    public final void awaitUninterruptibly() {
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁, 见 ㈣
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean interrupted = false;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // park 阻塞
            LockSupport.park(this);
            // 如果被打断, 仅设置打断状态
            if (Thread.interrupted())
                interrupted = true;
        }
        // 唤醒后, 尝试竞争锁, 如果失败进入 AQS 队列
        if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
            selfInterrupt();
    }
    // 外部类方法, 方便阅读, 放在此处
    // ㈣ 因为某线程可能重入，需要将 state 全部释放
    final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }
    // 打断模式 - 在退出等待时重新设置打断状态
    private static final int REINTERRUPT = 1;
    // 打断模式 - 在退出等待时抛出异常
    private static final int THROW_IE = -1;
    // 判断打断模式
    private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
        return Thread.interrupted() ?
            (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
        0;
    }
    // ㈤ 应用打断模式
    private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
        throws InterruptedException {
        if (interruptMode == THROW_IE)
            throw new InterruptedException();
        else if (interruptMode == REINTERRUPT)
            selfInterrupt();
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断
    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // park 阻塞
            LockSupport.park(this);
            // 如果被打断, 退出等待队列
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 退出等待队列后, 还需要获得 AQS 队列的锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (node.nextWaiter != null) 
            unlinkCancelledWaiters();
        // 应用打断模式, 见 ㈤
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时
    public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        // 获得最后期限
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        int interruptMode = 0;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // 已超时, 退出等待队列
            if (nanosTimeout <= 0L) {
                transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            // park 阻塞一定时间, spinForTimeoutThreshold 为 1000 ns
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            // 如果被打断, 退出等待队列
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        // 退出等待队列后, 还需要获得 AQS 队列的锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        // 应用打断模式, 见 ㈤
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return deadline - System.nanoTime();
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时, 逻辑类似于 awaitNanos
    public final boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException {
        // ...
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时, 逻辑类似于 awaitNanos
    public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        // ...
    }
    // 工具方法 省略 ...
}

三、读写锁: 读时共享，写时互斥

1、ReentrantReadWriteLock

当读操作远远高于写操作时，这时候使用 读写锁 让 读-读 可以并发，提高性能。
类似于数据库中的 select … from … lock in share mode

示例
提供一个 数据容器类 内部分别使用读锁保护数据的 read() 方法，写锁保护数据的 write() 方法

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class testThread30 {
    /**  两个线程都读时，等于没有加锁
     * 13:16:54 [t2] c.DataContainer - 获取读锁...
     * 13:16:54 [t1] c.DataContainer - 获取读锁...
     * 13:16:54 [t1] c.DataContainer - 读取
     * 13:16:54 [t2] c.DataContainer - 读取
     * 13:16:55 [t2] c.DataContainer - 释放读锁...
     * 13:16:55 [t1] c.DataContainer - 释放读锁...
     * @param args
     */


    /**  一个线程读一个线程 写，就会产生互斥，如果都去写也会互斥
     * 13:19:57 [t1] c.DataContainer - 获取读锁...
     * 13:19:57 [t1] c.DataContainer - 读取
     * 13:19:57 [t2] c.DataContainer - 获取写锁...
     * 13:19:58 [t1] c.DataContainer - 释放读锁...
     * 13:19:58 [t2] c.DataContainer - 写入
     * 13:19:59 [t2] c.DataContainer - 释放写锁...
     * @param args
     */
    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        DataContainer dataContainer = new DataContainer();

        new Thread(() -> {
            dataContainer.read();
        }, "t1").start();

        Thread.sleep(100);
        new Thread(() -> {
            dataContainer.write();
        }, "t2").start();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.DataContainer")
class DataContainer {

    private Object data;
    private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
    private ReentrantReadWriteLock.ReadLock r = rw.readLock();
    private ReentrantReadWriteLock.WriteLock w = rw.writeLock();

    @SneakyThrows
    public Object read() {
        log.debug("获取读锁...");
        r.lock();
        try {
            log.debug("读取");
            Thread.sleep(1000);
            return data;
        } finally {
            log.debug("释放读锁...");
            r.unlock();
        }
    }

    @SneakyThrows
    public void write() {
        log.debug("获取写锁...");
        w.lock();
        try {
            log.debug("写入");
            Thread.sleep(1000);
        } finally {
            log.debug("释放写锁...");
            w.unlock();
        }
    }

}

注意事项

class CachedData {
    Object data;
    // 是否有效，如果失效，需要重新计算 data
    volatile boolean cacheValid;
    final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        if (!cacheValid) {
            // 获取写锁前必须释放读锁
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            try {
                // 判断是否有其它线程已经获取了写锁、更新了缓存, 避免重复更新
                if (!cacheValid) {
                    data = ...
                        cacheValid = true;
                }
                // 降级为读锁, 释放写锁, 这样能够让其它线程读取缓存
                rwl.readLock().lock();
            } finally {
                rwl.writeLock().unlock();
            }
        }
        // 自己用完数据, 释放读锁 
        try {
            use(data);
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

应用之缓存

读写锁实现一致性缓存

使用读写锁实现一个简单的按需加载缓存

class GenericCachedDao<T> {
    // HashMap 作为缓存非线程安全, 需要保护
    HashMap<SqlPair, T> map = new HashMap<>();
    
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); 
    GenericDao genericDao = new GenericDao();
    
    public int update(String sql, Object... params) {
        SqlPair key = new SqlPair(sql, params);
        // 加写锁, 防止其它线程对缓存读取和更改
        lock.writeLock().lock();
        try {
            int rows = genericDao.update(sql, params);
            map.clear();
            return rows;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
    
    public T queryOne(Class<T> beanClass, String sql, Object... params) {
        SqlPair key = new SqlPair(sql, params);
        // 加读锁, 防止其它线程对缓存更改
        lock.readLock().lock();
        try {
            T value = map.get(key);
            if (value != null) {
                return value;
            }
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
        // 加写锁, 防止其它线程对缓存读取和更改
        lock.writeLock().lock();
        try {
            // get 方法上面部分是可能多个线程进来的, 可能已经向缓存填充了数据
            // 为防止重复查询数据库, 再次验证
            T value = map.get(key);
            if (value == null) {
                // 如果没有, 查询数据库
                value = genericDao.queryOne(beanClass, sql, params);
                map.put(key, value);
            }
            return value;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
    
    // 作为 key 保证其是不可变的
    class SqlPair {
        private String sql;
        private Object[] params;
        public SqlPair(String sql, Object[] params) {
            this.sql = sql;
            this.params = params;
        }
        @Override
        public boolean equals(Object o) {
            if (this == o) {
                return true;
            }
            if (o == null || getClass() != o.getClass()) {
                return false;
            }
            SqlPair sqlPair = (SqlPair) o;
            return sql.equals(sqlPair.sql) &&
                Arrays.equals(params, sqlPair.params);
        }
        @Override
        public int hashCode() {
            int result = Objects.hash(sql);
            result = 31 * result + Arrays.hashCode(params);
            return result;
        }
    }
    
}

注意
● 以上实现体现的是读写锁的应用，保证缓存和数据库的一致性，但有下面的问题没有考虑
○ 适合读多写少，如果写操作比较频繁，以上实现性能低
○ 没有考虑缓存容量
○ 没有考虑缓存过期
○ 只适合单机
○ 并发性还是低，目前只会用一把锁
○ 更新方法太过简单粗暴，清空了所有 key（考虑按类型分区或重新设计 key）
● 乐观锁实现：用 CAS 去更新

读写锁原理 🔞

读写锁源码分析

写锁上锁流程

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ... 省略无关代码
    
    // 外部类 WriteLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
        if (
            // 尝试获得写锁失败
            !tryAcquire(arg) &&
            // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
            // 进入 AQS 队列阻塞
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 获得低 16 位, 代表写锁的 state 计数
        Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        int w = exclusiveCount(c);
        
        if (c != 0) {
            if (
                // c != 0 and w == 0 表示有读锁, 或者
                w == 0 ||
                // 如果 exclusiveOwnerThread 不是自己
                current != getExclusiveOwnerThread()
            ) {
                // 获得锁失败
                return false;
            }
            // 写锁计数超过低 16 位, 报异常
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 写锁重入, 获得锁成功
            setState(c + acquires);
            return true;
        } 
        if (
            // 判断写锁是否该阻塞, 或者
            writerShouldBlock() ||
            // 尝试更改计数失败
            !compareAndSetState(c, c + acquires)
        ) {
            // 获得锁失败
            return false;
        }
        // 获得锁成功
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }
    
    // 非公平锁 writerShouldBlock 总是返回 false, 无需阻塞
    final boolean writerShouldBlock() {
        return false;
    }
}

写锁释放流程

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ... 省略无关代码
    
    // WriteLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean release(int arg) {
        // 尝试释放写锁成功
        if (tryRelease(arg)) {
            // unpark AQS 中等待的线程
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        int nextc = getState() - releases;
        // 因为可重入的原因, 写锁计数为 0, 才算释放成功
        boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
        if (free) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(nextc);
        return free;
    }
}

读锁上锁流程

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    // ReadLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void lock() {
        sync.acquireShared(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquireShared(int arg) {
        // tryAcquireShared 返回负数, 表示获取读锁失败
        if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
            doAcquireShared(arg);
        }
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final int tryAcquireShared(int unused) {
        Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 如果是其它线程持有写锁, 获取读锁失败
        if ( 
            exclusiveCount(c) != 0 &&
            getExclusiveOwnerThread() != current
        ) {
            return -1;
        }
        int r = sharedCount(c);
        if (
            // 读锁不该阻塞(如果老二是写锁，读锁该阻塞), 并且
            !readerShouldBlock() &&
            // 小于读锁计数, 并且
            r < MAX_COUNT &&
            // 尝试增加计数成功
            compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)
        ) {
            // ... 省略不重要的代码
            return 1;
        }
        return fullTryAcquireShared(current);
    }
    
    // 非公平锁 readerShouldBlock 看 AQS 队列中第一个节点是否是写锁
    // true 则该阻塞, false 则不阻塞
    final boolean readerShouldBlock() {
        return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    // 与 tryAcquireShared 功能类似, 但会不断尝试 for (;;) 获取读锁, 执行过程中无阻塞
    final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
        HoldCounter rh = null;
        for (;;) {
            int c = getState();
            if (exclusiveCount(c) != 0) {
                if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                    return -1;
            } else if (readerShouldBlock()) {
                // ... 省略不重要的代码
            }
            if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                // ... 省略不重要的代码
                return 1;
            }
        }
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doAcquireShared(int arg) {
        // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为共享模式
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    // 再一次尝试获取读锁
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    // 成功
                    if (r >= 0) {
                        // ㈠
                        // r 表示可用资源数, 在这里总是 1 允许传播
                        //（唤醒 AQS 中下一个 Share 节点）
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (
                    // 是否在获取读锁失败时阻塞（前一个阶段 waitStatus == Node.SIGNAL）
                    shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // park 当前线程
                    parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    
    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        // 设置自己为 head
        setHead(node);
        
        // propagate 表示有共享资源（例如共享读锁或信号量）
        // 原 head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE
        // 现在 head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            // 如果是最后一个节点或者是等待共享读锁的节点
            if (s == null || s.isShared()) {
                // 进入 ㈡
                doReleaseShared();
            }
        }
    }
    
    // ㈡ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doReleaseShared() {
        // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
        // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE, 为了解决 bug, 见后面分析
        for (;;) {
            Node h = head;
            // 队列还有节点
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue; // loop to recheck cases
                    // 下一个节点 unpark 如果成功获取读锁
                    // 并且下下个节点还是 shared, 继续 doReleaseShared
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue; // loop on failed CAS
            }
            if (h == head) // loop if head changed
                break;
        }
    }
}

读锁释放流程

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    // ReadLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void unlock() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
        // ... 省略不重要的代码
        for (;;) {
            int c = getState();
            int nextc = c - SHARED_UNIT;
            if (compareAndSetState(c, nextc)) {
                // 读锁的计数不会影响其它获取读锁线程, 但会影响其它获取写锁线程
                // 计数为 0 才是真正释放
                return nextc == 0;
            }
        }
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doReleaseShared() {
        // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
        // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE 
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                // 如果有其它线程也在释放读锁，那么需要将 waitStatus 先改为 0
                // 防止 unparkSuccessor 被多次执行
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue; // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                // 如果已经是 0 了，改为 -3，用来解决传播性，见后文信号量 bug 分析
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue; // loop on failed CAS
            }
            if (h == head) // loop if head changed
                break;
        }
    } 
}

2、StampedLock

虽然ReentrantReadWriteLock读写锁，在多个线程进行读操作时，性能已经很不错了，但是每个线程在读的时候还是会进行AQS同步器和CAS的方式去修改读锁的高十六位的状态，很显然性能没有拉到极致，这时就可以使用 StampedLock，在多线程都去读的情况下，先获取一个 戳 当戳没有被别的线程修改，可以在不加锁的情况下让所有线程都乐观读，一旦戳被修改，就对锁进行升级，从乐观读升级到读锁，读锁又与写锁产生互斥。

示例
提供一个 数据容器类 内部分别使用读锁保护数据的 read() 方法，写锁保护数据的 write() 方法

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class testThread30 {

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        DataContainerStamped dataContainer = new DataContainerStamped(1);
        /**
         * 测试 读-读 可以优化
         */
//        new Thread(() -> {
//            dataContainer.read(1);
//        }, "t1").start();
//
//        Thread.sleep(500);
//        new Thread(() -> {
//            dataContainer.read(0);
//        }, "t2").start();


        /**
         * 测试 读-写 时优化读补加读锁
         * 16:41:45 [t1] c.DataContainerStamped - optimistic read locking...256
         * 16:41:45 [t1] c.DataContainerStamped - read finish...256, data:1
         * 16:41:45 [t2] c.DataContainerStamped - write lock 384
         * 16:41:47 [t2] c.DataContainerStamped - write unlock 384
         */
        new Thread(() -> {
            dataContainer.read(1);
        }, "t1").start();

        Thread.sleep(500);
        new Thread(() -> {
            dataContainer.write(100);
        }, "t2").start();
    }
}
@Slf4j(topic = "c.DataContainerStamped")
class DataContainerStamped {

    private int data;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    public DataContainerStamped(int data) {
        this.data = data;
    }

    @SneakyThrows
    public int read(int readTime) {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        log.debug("optimistic read locking...{}", stamp);
        Thread.sleep(readTime);
        if (lock.validate(stamp)) {
            log.debug("read finish...{}, data:{}", stamp, data);
            return data;
        }
        // 锁升级 - 读锁
        log.debug("updating to read lock... {}", stamp);
        try {
            stamp = lock.readLock();
            log.debug("read lock {}", stamp);
            Thread.sleep(readTime);
            log.debug("read finish...{}, data:{}", stamp, data);
            return data;
        } finally {
            log.debug("read unlock {}", stamp);
            lock.unlockRead(stamp);
        }
    }

    @SneakyThrows
    public void write(int newData) {
        long stamp = lock.writeLock();
        log.debug("write lock {}", stamp);
        try {
            Thread.sleep(2000);
            this.data = newData;
        } finally {
            log.debug("write unlock {}", stamp);
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

}

注意 StampedLock 不支持条件变量 StampedLock 不支持锁重入

四、信号量 Semaphore

使用 Semaphore 限制线程的运行数量

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.Semaphore;

@Slf4j(topic = "c.testThread31")
public class testThread31 {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建 semaphore 对象
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        // 2. 10个线程同时运行
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 3. 获取许可
                try {
                    semaphore.acquire();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    log.debug("running...");
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("end...");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 4. 释放许可
                    semaphore.release();
                }
            }).start();
        }
    }
}

Semaphore的应用: 改进连接池

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.sql.*;
import java.util.Map;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

/**
 * 自定义连接池，使用信号量
 */

public class testThread26 {
    public static void main(String[] args) {
        pool pool= new pool(2);

        for (int i = 1; i <= 5;i++){
            new Thread(()->{
                //借出连接
                Connection borrow = pool.borrow();

                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    //归还连接
                    pool.still(borrow);
                }

            }).start();

        }
    }
}


@Slf4j(topic = "c.pool")
class pool{
    //连接池大小
    private final int poolSize;

    //连接池数组
    private  Connection[] connections;

    //连接池数组状态 为了防止多线程同时修改连接状态需要使用原子数组
    private AtomicIntegerArray states;

    //使用信号量改善连接
    private Semaphore semaphore;

    //初始化连接池
    public pool(int poolSize) {
        this.poolSize = poolSize;
        this.connections = new Connection[poolSize];
        //使用信号量改善连接
        this.semaphore = new Semaphore(poolSize);
        this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);
        //创建连接池
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
           connections[i] = new MyConnection("连接" + (i+1));
        }
    }

    //借出连接

    public Connection borrow(){
        //检查连接是否空闲
        try {
            //获取许可
            semaphore.acquire();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        for (int i = 0; i < poolSize; i++){
            if(states.get(i) == 0){
                //表示连接空闲
                //修改连接状态
                boolean b = states.compareAndSet(i, 0, 1);
                if (b){
                    log.debug("借出连接"+ (i+1));
                    return connections[i];
                }
            }
        }
        //这里永远执行不到
        return null;

    }

    //归还连接
    public void still(Connection connection){
        //判断归还的连接是否合法
        for (int i = 0; i < connections.length; i++) {
            if (connections[i] == connection) {
                log.debug("归还连接"+ (i+1));
                states.set(i,0);
                //释放许可
               semaphore.release();
                break;
            }
        }

    }

}


class MyConnection implements Connection{
    private String name;

    public MyConnection(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MyConnection{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }

Semaphore 原理

源码分析

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
    NonfairSync(int permits) {
        // permits 即 state
        super(permits);
    }
    
    // Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    
    // 尝试获得共享锁
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires; 
            if (
                // 如果许可已经用完, 返回负数, 表示获取失败, 进入 doAcquireSharedInterruptibly
                remaining < 0 ||
                // 如果 cas 重试成功, 返回正数, 表示获取成功
                compareAndSetState(available, remaining)
            ) {
                return remaining;
            }
        }
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    // 再次尝试获取许可
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        // 成功后本线程出队（AQS）, 所在 Node设置为 head
                        // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
                        // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE 
                        // r 表示可用资源数, 为 0 则不会继续传播
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // 不成功, 设置上一个节点 waitStatus = Node.SIGNAL, 下轮进入 park 阻塞
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    
    // Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    
    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            int current = getState();
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }
}

五、 CountdownLatch 倒计时调度线程

用来进行线程同步协作，等待所有线程完成倒计时。
其中构造参数用来初始化等待计数值，await() 用来等待计数归零，countDown() 用来让计数减一，
那么肯定会有人说用 join 不行吗？当然 join 也是可以的，只不过比较底层，而且我们以后获取线程都是从线程池中获取，线程池中的线程都是一直在运行的，再使用 join 肯定是不行的了。

基本使用

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
    
    new Thread(() -> {
        log.debug("begin...");
        sleep(1);
        latch.countDown();
        log.debug("end...{}", latch.getCount());
    }).start();
    
    new Thread(() -> {
        log.debug("begin...");
        sleep(2);
        latch.countDown();
        log.debug("end...{}", latch.getCount());
    }).start();
    
    new Thread(() -> {
        log.debug("begin...");
        sleep(1.5);
        latch.countDown();
        log.debug("end...{}", latch.getCount());
    }).start();
    
    log.debug("waiting...");
    latch.await();
    log.debug("wait end...");
}



输出
18:44:00.778 c.TestCountDownLatch [main] - waiting... 
18:44:00.778 c.TestCountDownLatch [Thread-2] - begin... 
18:44:00.778 c.TestCountDownLatch [Thread-0] - begin... 
18:44:00.778 c.TestCountDownLatch [Thread-1] - begin... 
18:44:01.782 c.TestCountDownLatch [Thread-0] - end...2 
18:44:02.283 c.TestCountDownLatch [Thread-2] - end...1 
18:44:02.782 c.TestCountDownLatch [Thread-1] - end...0 
18:44:02.782 c.TestCountDownLatch [main] - wait end...

改进，添加线程池

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


@Slf4j(topic = "c.testThread31")
public class testThread31 {
    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(4);

        service.submit(() -> {
            log.debug("begin...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            latch.countDown();
            log.debug("end...{}", latch.getCount());
        });

        service.submit(() -> {
            log.debug("begin...");
            try {
                Thread.sleep(1500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            latch.countDown();
            log.debug("end...{}", latch.getCount());
        });

        service.submit(() -> {
            log.debug("begin...");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            latch.countDown();
            log.debug("end...{}", latch.getCount());
        });

        service.submit(()->{
            try {
                log.debug("waiting...");
                latch.await();
                log.debug("wait end...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
}

应用之同步等待多线程准备完毕

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;


@Slf4j(topic = "c.testThread31")
public class testThread31 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);

        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10, (r) -> {
            return new Thread(r, "t" + num.getAndIncrement());
        });

        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);

        String[] all = new String[10];
        Random r = new Random();
        for (int j = 0; j < 10; j++) {
            int x = j;
            service.submit(() -> {
                for (int i = 0; i <= 100; i++) {
                    try {
                        Thread.sleep(r.nextInt(100));
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    all[x] = Thread.currentThread().getName() + "(" + (i + "%") + ")";
                    System.out.print("\r" + Arrays.toString(all));
                }
                //计数减一
                latch.countDown();
            });
        }

        try {
            //等待所有线程执行完毕
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("\n游戏开始...");
        service.shutdown();
    }
}


输出
[t0(100%), t1(100%), t2(100%), t3(100%), t4(100%), t5(100%), t6(100%), t7(100%), t8(100%), t9(100%)]
游戏开始...

rest 远程调用 P270

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;


@Slf4j(topic = "c.testThread31")
public class testThread31 {
    public static void main(String[] args) {
        RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
        log.debug("begin");
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(4);
        Future<Map<String,Object>> f1 = service.submit(() -> {
            Map<String, Object> r =
                    restTemplate.getForObject("http://localhost:8080/order/{1}", Map.class, 1);
            return r;
        });
        Future<Map<String, Object>> f2 = service.submit(() -> {
            Map<String, Object> r =
                    restTemplate.getForObject("http://localhost:8080/product/{1}", Map.class, 1);
            return r;
        });
        Future<Map<String, Object>> f3 = service.submit(() -> {
            Map<String, Object> r =
                    restTemplate.getForObject("http://localhost:8080/product/{1}", Map.class, 2);
            return r;
        });
        Future<Map<String, Object>> f4 = service.submit(() -> {
            Map<String, Object> r =
                    restTemplate.getForObject("http://localhost:8080/logistics/{1}", Map.class, 1);
            return r;
        });
        System.out.println(f1.get());
        System.out.println(f2.get());
        System.out.println(f3.get());
        System.out.println(f4.get());
        log.debug("执行完毕");
        service.shutdown();
    }
}

六、CyclicBarrier

CyclicBarrier 和 CountdownLatch 最大的不同就是，CountdownLatch的倒计时数只能设置不能更改，而CyclicBarrier 是可以更改的，如果 CyclicBarrier的计数标记为 0 时，再次调用 await 计数就会恢复一开始的计数标记。在一些特殊的应用场景下 可以大显身手。

注意 CyclicBarrier 与 CountDownLatch 的主要区别在于 CyclicBarrier 是可以重用的 CyclicBarrier 可以被比喻为『人满发车』

一定要注意线程数和 CyclicBarrier 计数标记一定要一致，不然会有问题。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-403550.html

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.Arrays;
import java.util.Date;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;


@Slf4j(topic = "c.testThread31")
public class testThread31 {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(2,()->{
            //对结果进行汇总，但只能获得 cb.await(); 之前的结果
            log.debug("线程1 和  线程2 运行完了");
        }); // 个数为2时才会继续执行


        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            executorService.submit(()->{
                System.out.println("线程1开始.."+new Date());
                try {
                    cb.await(); // 当个数不足时，等待 2 - 1 = 1
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程1继续向下运行..."+new Date());
            });

            executorService.submit(()->{
                System.out.println("线程2开始.."+new Date());
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                try {
                    cb.await(); // 2 秒后，线程个数够2，继续运行 1 - 1 = 0，条件满足
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程2继续向下运行..."+new Date());
            });

        }
        executorService.shutdown();
    }
}

输出
线程1开始..Wed Apr 05 20:51:44 CST 2023
线程2开始..Wed Apr 05 20:51:44 CST 2023
20:51:46 [pool-1-thread-2] c.testThread31 - 线程1 和  线程2 运行完了
线程2继续向下运行...Wed Apr 05 20:51:46 CST 2023
线程1继续向下运行...Wed Apr 05 20:51:46 CST 2023
线程1开始..Wed Apr 05 20:51:46 CST 2023
线程2开始..Wed Apr 05 20:51:46 CST 2023
20:51:48 [pool-1-thread-1] c.testThread31 - 线程1 和  线程2 运行完了
线程2继续向下运行...Wed Apr 05 20:51:48 CST 2023
线程1继续向下运行...Wed Apr 05 20:51:48 CST 2023
线程1开始..Wed Apr 05 20:51:48 CST 2023
线程2开始..Wed Apr 05 20:51:48 CST 2023
20:51:50 [pool-1-thread-2] c.testThread31 - 线程1 和  线程2 运行完了
线程2继续向下运行...Wed Apr 05 20:51:50 CST 2023
线程1继续向下运行...Wed Apr 05 20:51:50 CST 2023

到了这里，关于第九章 JUC并发编程的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！