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【Java并发编程实战】—– AQS(一):简介

在前面博客中,LZ讲到了ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch,他们都有各自获取锁的方法,同时相对于Java的内置锁,他们具有明显的优势:花最小的空间开销创建锁、最少的时间开销获得锁、使用更加方便灵活。

参考Java的内置锁,对于JUC同步器而言,他应该具备两个最基本的功能:获取锁,释放锁。其中获取锁应该是先判断当前状态是否可以获取,如果不可以获取则处于阻塞状态,释放应该是释放后修改状态,让其他线程能够得到该锁(唤醒其他线程),如下:

lock:
        while(state){                //
            getLock();            //获取锁
            return currentThread;        //返回当前线程
        }
        
        release:
        updateState();                //修改状态    
        notify other thread;            //唤醒其他线程

我们知道,在JUC中,各个同步器获取锁和释放锁的方法都不相同,比如:lock.lock()、Semaphore.acquire()、 CountDownLatch.await()等等,假如他们都各自实现各自的方法,那么这个JUC框架顶多只能算一个中下等的框架设计了。这是AQS腾空出世,AQS作为一个核心的处理框架,他提供了大量的同步操作,同时用户还可以在此类的基础上进行自定义,实现自己的同步器。其主要框架如下:

2015112500003

从上图可以看出AQS是JUC同步器的基石。下面就AQS涉及的技术原理简单阐述下,以后会对其做详细的说明。

1、状态位state

AQS用的是一个32位的整型来表示同步状态的,它是用volatile修饰的:

private volatile int state;

在互斥锁中它表示着线程是否已经获取了锁,0未获取,1已经获取了,大于1表示重入数。同时AQS提供了getState()、setState()、compareAndSetState()方法来获取和修改该值:

protected final int getState() {
            return state;
        }
        
        protected final void setState(int newState) {
            state = newState;
        }
        
        protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
        }

这些方法需要java.util.concurrent.atomic包的支持,采用CAS操作,保证其原则性和可见性。

2、CLH同步队列

在前面就提到过AQS内部维护着一个FIFO的CLH队列,所以AQS并不支持基于优先级的同步策略。至于为何要选择CLH队列,主要在于CLH锁相对于MSC锁,他更加容易处理cancel和timeout,同时他具备进出队列快、无所、畅通无阻、检查是否有线程在等待也非常容易(head != tail,头尾指针不同)。当然相对于原始的CLH队列锁,ASQ采用的是一种变种的CLH队列锁:

1、原始CLH使用的locked自旋,而AQS的CLH则是在每个node里面使用一个状态字段来控制阻塞,而不是自旋。

2、为了可以处理timeout和cancel操作,每个node维护一个指向前驱的指针。如果一个node的前驱被cancel,这个node可以前向移动使用前驱的状态字段。

3、head结点使用的是傀儡结点。

2015112600001

3、共享锁、互斥锁

在AQS维护的CLH队列锁中,每个节点(Node)代表着一个需要获取锁的线程。该Node中有两个常量SHARE、EXCLUSIVE。其中SHARE代表着共享模式,EXCLUSIVE代表着独占模式。

static final class Node {
            /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
            static final Node SHARED = new Node();
            /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
            static final Node EXCLUSIVE = null;
            /////////

        }

其中共享模式是允许多个线程可以获取同一个锁,而独占模式则一个锁只能被一个线程持有,其他线程必须要等待。

4、阻塞、唤醒

我们知道在使用Java内置锁时,可以使用wait、notify方法来阻塞、唤醒线程,但是AQS并没有采用该模式,而是通过LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的本地方法来实现线程的阻塞和唤醒。

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