AQS 详解

Posted 2022-11-04 热爱编程的大忽悠

AQS 详解

• • AQS 简单介绍
  • AQS 原理
  • • AQS 原理概览
    • AQS 对资源的共享方式
    • AQS 底层使用了模板方法模式
  • Semaphore(信号量)
  • CountDownLatch （倒计时器）
  • • CountDownLatch 的两种典型用法
    • CountDownLatch 的使用示例
    • CountDownLatch 的不足
    • CountDownLatch 相常见面试题
  • CyclicBarrier(循环栅栏)
  • • CyclicBarrier 的应用场景
    • CyclicBarrier 的使用示例
    • CyclicBarrier 源码分析
    • CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别
    • ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock

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开始之前，先来看几道常见的面试题！建议你带着这些问题来看这篇文章：

• 何为 AQS？AQS 原理了解吗？
• CountDownLatch 和 CyclicBarrier 了解吗？两者的区别是什么？
• 用过 Semaphore 吗？应用场景了解吗？
• …

AQS 简单介绍

AQS 的全称为 AbstractQueuedSynchronizer ，翻译过来的意思就是抽象队列同步器。这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

AQS 就是一个抽象类，主要用来构建锁和同步器。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable 

AQS 为构建锁和同步器提供了一些通用功能的是实现，因此，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。

AQS 原理

在面试中被问到并发知识的时候，大多都会被问到“请你说一下自己对于 AQS 原理的理解”。下面给大家一个示例供大家参考，面试不是背题，大家一定要加入自己的思想，即使加入不了自己的思想也要保证自己能够通俗的讲出来而不是背出来。

下面大部分内容其实在 AQS 类注释上已经给出了，不过是英语看着比较吃力一点，感兴趣的话可以看看源码。

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。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。AQS 是将每条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配。

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。

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

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

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() 
        return state;

 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) 
        state = newState;

//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) 
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);

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：

• 公平锁 ：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
• 非公平锁 ：当线程要获取锁时，先通过两次 CAS 操作去抢锁，如果没抢到，当前线程再加入到队列中等待唤醒。

说明：下面这部分关于 ReentrantLock 源代码内容节选自：https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer-2 ，这是一篇很不错文章，推荐阅读。

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）。

/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
public ReentrantLock() 
    // 默认非公平锁
    sync = new NonfairSync();

public ReentrantLock(boolean fair) 
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();

ReentrantLock 中公平锁的 lock 方法

static final class FairSync extends Sync 
    final void lock() 
        acquire(1);
    
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
    public final void acquire(int arg) 
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) 
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) 
            // 1. 和非公平锁相比，这里多了一个判断：是否有线程在等待
            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;
    

非公平锁的 lock 方法：

static final class NonfairSync extends Sync 
    final void lock() 
        // 2. 和公平锁相比，这里会直接先进行一次CAS，成功就返回了
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
    public final void acquire(int arg) 
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) 
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    

/**
 * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
 * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) 
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) 
        // 这里没有对阻塞队列进行判断
        if (compareAndSetState(0, acquires)) 
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        
    
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) 
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    
    return false;

总结：公平锁和非公平锁只有两处不同：

1. 非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁返回了。
2. 非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法，在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁，但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。

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。

2)Share（共享）

多个线程可同时执行，如 Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为 ReentrantReadWriteLock 也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS 已经在上层已经帮我们实现好了。

AQS 底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

1. 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源 state 的获取和释放）
2. 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。

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 提供的钩子方法：

protected boolean tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected int 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。
protected boolean tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

什么是钩子方法呢？ 钩子方法是一种被声明在抽象类中的方法，一般使用 protected 关键字修饰，它可以是空方法（由子类实现），也可以是默认实现的方法。模板设计模式通过钩子方法控制固定步骤的实现。

篇幅问题，这里就不详细介绍模板方法模式了，不太了解的小伙伴可以看看这篇文章：用Java8 改造后的模板方法模式真的是 yyds!。

除了上面提到的钩子方法之外，AQS 类中的其他方法都是 final ，所以无法被其他类重写。

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少次，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。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但 AQS 也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

推荐两篇 AQS 原理和相关源码分析的文章：

• Java并发之AQS详解
• Java并发包基石-AQS详解

Semaphore(信号量)

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：

/**
 *
 * @author Snailclimb
 * @date 2018年9月30日
 * @Description: 需要一次性拿一个许可的情况
 */
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
  

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 release 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：

semaphore.acquire(5);// 获取5个许可，所以可运行线程数量为20/5=4
test(threadnum);
semaphore.release(5);// 释放5个许可

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() 方法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：

   public Semaphore(int permits) 
        sync = new NonfairSync(permits);
    

    public Semaphore(int permits, boolean fair) 
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    

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。

issue645 补充内容 ：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。

CountDownLatch （倒计时器）

CountDownLatch 允许 count 个线程阻塞在一个地方，直至所有线程的任务都执行完毕。

CountDownLatch 是共享锁的一种实现,它默认构造 AQS 的 state 值为 count。当线程使用 countDown() 方法时,其实使用了tryReleaseShared方法以 CAS 的操作来减少 state,直至 state 为 0 。当调用 await() 方法的时候，如果 state 不为 0，那就证明任务还没有执行完毕，await() 方法就会一直阻塞，也就是说 await() 方法之后的语句不会被执行。然后，CountDownLatch 会自旋 CAS 判断 state == 0，如果 state == 0 的话，就会释放所有等待的线程，await() 方法之后的语句得到执行。

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。

CountDownLatch 的使用示例

/**
 *
 * @author SnailClimb
 * @date 2018年10月1日
 * @Description: CountDownLatch 使用方法示例
 */
public class CountDownLatchExample1 
  // 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);
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
    for (int i = 0; i < threadCount; i++) 
      final int threadnum = i;
      threadPool.execute(() -> // Lambda 表达式的运用
        try 
          test(threadnum);
         catch (InterruptedException e) 
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
         finally 
          countDownLatch.countDown();// 表示一个请求已经被完成
        

      );
    
    countDownLatch.await();
    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
  

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：

for (int i = 0; i < threadCount-1; i++) 
.......

这样就导致 count 的值没办法等于 0，然后就会导致一直等待。

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。

CountDownLatch 相常见面试题

• CountDownLatch 怎么用？应用场景是什么？
• CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的不同之处？
• CountDownLatch 类中主要的方法？

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：

public CyclicBarrier(int parties) 
    this(parties, null);


public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;

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。

CyclicBarrier 的应用场景

CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们用一个 Excel 保存了用户所有银行流水，每个 Sheet 保存一个帐户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个 sheet 里的银行流水，都执行完之后，得到每个 sheet 的日均银行流水，最后，再用 barrierAction 用这些线程的计算结果，计算出整个 Excel 的日均银行流水。

CyclicBarrier 的使用示例

示例 1：

/**
 *
 * @author Snailclimb
 * @date 2018年10月1日
 * @Description: 测试 CyclicBarrier 类中带参数的 await() 方法
 */
public class CyclicBarrierExample2 
  // 请求的数量
  private static final int threadCount = 550;
  // 需要同步的线程数量
  private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
    // 创建线程池
    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    for (int i = 0; i < threadCount; i++) 
      final int threadNum = i;
      Thread.sleep(1000);
      threadPool.execute同步工具类（锁闭锁栅栏信号量）

 AQS同步组件-CyclicBarrier(循环屏障)解析和用例
 并发编程-AQS同步组件之 CyclicBarrier 同步屏障
 AQS源码探究_08 CyclicBarrier源码分析
 AQS源码探究_08 CyclicBarrier源码分析
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