1. AQS 原理
1.1 概述
全称是 AbstractQueuedSynchronizer,是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架
特点:
- 用 state 属性来表示资源的状态(分独占模式和共享模式),子类需要定义如何维护这个生态,控制如何获取锁和释放锁
- getState - 获取 state 状态
- setState - 设置 state 状态
- compareAndSetState - cas 机制设置 state 状态
- 独占模式是只有一个线程能够访问资源,类似于 Monitor 的 EntryList
- 提供了基于 FIFO 的等待队列,类似于 Monitor 的 EntryList
- 条件变量来实现等待、唤醒机制,支持多个条件,类似于 Monitor 的 WaitSet
子类主要实现这样一些方法 (默认抛出UnsupportedOperationException)
- tryAcquire
- tryRelease
- tryAcquireShared
- tryReleaseShared
- isHeldExclusively
获取锁的姿势
// 如果获取锁失败
if (!tryAcquire(arg)) {
// 入队,可以选择阻塞当前线程 park unpark
}
释放锁的姿势
// 如果释放锁成功
if (tryRelease(arg)) {
// 让阻塞线程继续运行
}
1.2 实现不可重入锁
自定义同步器
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
/**
* 自定义同步器
* @author 晓风残月Lx
* @date 2023/4/5 21:44
*/
public final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
if (acquires == 1) {
if (compareAndSetState(0, 1)){
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int acquires) {
if (acquires == 1) {
if (getState() == 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
return false;
}
protected Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
}
自定义锁
有了自定义同步器,很容易复用 AQS ,实现一个功能完备的自定义锁
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
/**
* 自定义锁
* @author 晓风残月Lx
* @date 2023/4/5 21:43
*/
public class MyLock implements Lock {
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();
}
}
测试
import com.lv.juc.util.Sleeper;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
/**
* @author 晓风残月Lx
* @date 2023/4/5 21:53
*/
@Slf4j
public class MyLockTest {
public static void main(String[] args) {
MyLock lock = new MyLock();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking |...");
//lock.lock();
//log.debug("locking 2|...");
Sleeper.sleep(1);
} finally {
log.debug("unlocking ...");
lock.unlock();
}
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking |...");
Sleeper.sleep(1);
} finally {
log.debug("unlocking ...");
lock.unlock();
//lock.unlock();
}
}, "t2").start();
}
}
测试不可重入的话,把注释都去掉
1.3 心得
起源
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。
目标
AQS 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
设计
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
1) state 设计
- state 使用 volatile 配合 cas 保证其修改时的原子性
- state 使用了 32 bit int 来维护同步状态,因为当时使用 long 在很多平台测试的结果并不理想
2)阻塞恢复设计
- 早期的控制线程暂停和恢复的 api 有 suspend 和 resume,但它们是不可用的,因为如果先调用的 resume 那么 suspend 将感知不到
- 解决方法是使用 park & unpark 来实现线程的暂停和恢复,先 unpark 再 park 也没问题
- park & unpark 是针对线程的,而不是针对同步器,因此控制粒度更为精细
- park 线程还可以通过 interrupt 打断
3)队列设计
- 使用了 FIFO 先入先出队列,并不支持优先级队列
- 设计时借鉴了 CLH 队列,它是一种单向无锁队列
队列中有 head 和 tail 两个指针节点,都用 volatile 修饰配合 cas 使用,每个节点有 state 维护节点状态
入队伪代码,只需要考虑 tail 赋值的原子性
do {
// 原来的 tail
Node prev = tail;
// 用 cas 在原来 tail 的基础上改为 node
} while(tail.compareAndSet(prev, node))
出队伪代码
// prev 是上一个节点
while((Node prev=node.prev).state != 唤醒状态) {
}
// 设置头节点
head = node;
CLH 好处:
- 无锁,使用自旋
- 快速,无阻塞
AQS 在一些方面改进了 CLH
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 队列中还没有元素 tail 为 null
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 将 node 的 prev 设置为原来的 tail
node.prev = t;
// 将 tail 从原来的 tail 设置为 node
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 原来 tail 的 next 设置为 node
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
AQS的并发工具类有文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-416965.html
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