JUC之AQS

Posted 2020-11-29 zzw-blog

AQS：AbstractQuenedSynchronizer抽象的队列式同步器，这个类在java.util.concurrent.locks包下，是JAVA除了自带的synchronized关键字之外的锁机制实现。AQS中维护了一个 volatile int state 变量（代表共享资源）和一个CLH队列（多线程争抢资源失败被阻塞时进入的FIFO队列）。

AQS的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲（state==0），则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并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，那么就将暂时获取不到锁的线程加入到CLH队列中，进行线程阻塞，并等待唤醒。

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　　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，仅存在节点之间的关联关系。
　　AQS是将每一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。
　　线程的阻塞、唤醒利用的是LockSupport的park、unpark方法。
　　说的再白点就是，AQS基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。
　　注意：AQS是自旋锁，在等待唤醒的时候，经常会使用自旋（while(!cas())）的方式，不停地尝试获取锁，直到被其他线程获取成功。

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实现了AQS的锁有：自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏都是AQS的衍生物
AQS实现的具体方式如下：

如图示，AQS维护了一个volatile int state和一个FIFO线程等待队列，多线程争用资源被阻塞的时候就会进入这个队列。state就是共享资源，其访问方式有如下三种：
getState();setState();compareAndSetState();
AQS 定义了两种资源共享方式：
　　1.Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
　　2.Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier
　　不同的自定义的同步器争用共享资源的方式也不同。
AQS底层是用来模板方法模式：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）：
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）
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。
自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：
　　isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
　　tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
　　tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
　　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。
　　tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。
以ReentrantLock为例，（可重入独占式锁）：state初始化为0，表示未锁定状态，A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占锁并将state+1.之后其他线程再想tryAcquire的时候就会失败，直到A线程unlock（）到state=0为止，其他线程才有机会获取该锁。A释放锁之前，自己也是可以重复获取此锁（state累加），这就是可重入的概念。
注意：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state是能回到零态的。
以CountDownLatch为例，任务分N个子线程去执行，state就初始化 为N，N个线程并行执行，每个线程执行完之后countDown（）一次，state就会CAS减一。当N子线程全部执行完毕，state=0，会unpark()主调用线程，主调用线程就会从await()函数返回，继续之后的动作。
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。在acquire() acquireShared()两种方式下，线程在等待队列中都是忽略中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()是支持响应中断的。

我们自己实现个不可重入的Lock实例，上代码：

public class NonReentrantLock implements Lock, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 3642178150160509120L;

    private Sync sync;

    public NonReentrantLock() {
        this.sync = new Sync();
    }

    private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 5297723527637891456L;

        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            if (compareAndSetState(0, arg)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            } else if (isHeldExclusively()) {
                throw new UnsupportedOperationException("该锁不支持重入！");
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            return compareAndSetState(arg, 0);
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
        }

        private Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }

    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

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

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

}

总结：AQS为Lock的实现提供了底层基础，并通过模板方法模式解决了复杂的线程入队阻塞、唤醒的操作，实现者只需要根据自己的特定需求重写某些方法即可