LockSupport与AQS

Posted 2023-04-18

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了LockSupport与AQS相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考技术A LockSupport类是Java6(JSR166-JUC)引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。

每个线程都会有一个独有的permit(许可)。

相比较于wait/notify/notifyAll有何优点？

注意：LockSupport是不可重入的：unpark三次之后，park一次可以继续运行，再次park还是会被阻塞。可以理解为unpark是把某个标志位标为1，并不是加1。park是将这个标志位标为0，而非减1。

AbstractQueuedSynchronizer，即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架（如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等），它是JUC并发包中的核心基础组件。
AQS简单地说就是使用一个FIFO的等待队列和一个volatile int state来实现同步的。即通过CAS state判断是否被锁（CAS来保证原子性、volatile保证可见性），将阻塞的线程打包放入等待队列中。
1. AQS的使用者一般定义一个内部类来继承AQS，使用组合的方式使用。
2. AQS有两种模式：排他和共享。
排他模式：只有一个线程可以拥有锁。(排他锁)
共享模式：可以同时多个线程拥有锁。(读锁)
AQS中两种模式下的waiting thread共用一个queue，所以一般使用者都只是使用一种模式。ReentrantReadWriteLock是同时使用了两种模式。

使用者继承AQS，实现AQS中的几个未实现的方法。然后就可以调用AQS的方法来实现自己的接口功能了。

我们可以看到ReentrantLock使用一个内部类Sync来继承AQS，然后实现排他锁的三个方法。
我们知道ReentrantLock有lock和unlock接口，可以看到这两个接口的实现就是调用AQS原有的方法。

前三个是排他锁所要实现的，后两个是共享锁所要实现了。注意：这五个函数并不是abstract，原因是因为一般都是使用某一种模式（排他或共享模式），所以子类只需使用其中一组就可以了。

在使用AQS的类中用来加锁和解锁的方法。

这里我们可以看到“获取锁，如果失败则加入队列”这个行为是由AQS来实现的。而如何判断失败？这个是由子类来决定的。这个决定支持了可重入性、是否公平性等功能。

共享模式下的对应的四个方法。

我们知道公平锁：先来的一定先获取锁。
非公平锁：当多个线程在争取锁，谁先获取锁的顺序是不固定的。
AQS的公平性是由使用者来决定的。
我们知道AQS中的acquire函数是大致这样实现的。

因为每次acquire的步骤是：先try再入队列。所以就可以出现这种情况：队列中有两个线程在等待，当锁被释放时，刚好又来了一个线程，则try的时候成功了，这样这个线程就获得锁了。
如果想要实现公平锁：tryAcquire的时候判断一下，如果有线程在等待，这个函数直接返回false。
显然非公平锁要比公平锁的效果要高。

Java并发编程原理 - Unsafe && LockSupport类及AQS同步器的设计

1 Unsafe类的park和unpark

public native void park(boolean var1, long var2);
public native void unpark(Object var1);

park方法用来阻塞一个线程,第一个参数用来指示后面的参数是绝对时间还是相对时间,true表示绝对时间,false表示从此刻开始后的相对时间.调用park的线程就阻塞在此处.
unpark用来释放某个线程的阻塞,线程用参数var1表示

举个例子:

2 LockSupport

直接使用Unsafe还是有诸多不便之处,因此lock包提供了一个辅助类LockSupport封装了park和unpark

举个例子:

可以看出，使用LockSupport要比直接只用Unsafe更加便捷。

此外，LockSupport还可以用来给线程设置一个Blocker对象，便于调试和检测线程，其原理是使用Unsafe的putObject方法直接设置Thread对象的parkBlocker属性，并在合适的时候读取这个Blocker对象，例子如下：

3 AQS同步器

各种锁ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock以及各种同步器诸Semaphore、CountDownLatch等，核心都是AbstractQueuedSynchronizer

要真正从源头理解AQS，建议仔细阅读该类的设计者的论文
（http://gee.cs.oswego.edu/dl/papers/aqs.pdf）

3.1 使用 AQS 手写排它锁

让我们先具体感知它是如何使用的。

这里有一个非常简单的例子SimpleLock，实现了一个最简单的排它锁。

当有线程获得锁时，其他线程只能等待
当这个线程释放锁时，其他线程可以竞争获取锁

运行结果表明，通过简单的几行代码，就实行了一个锁的所有功能。

根据JUC作者的建议，AQS的使用方法要遵循上面这个模式。

使用一个内部类Sync来继承AQS，并实现AQS的相关方法

一般是

tryAcquire
tryRelease（排它锁）

或者

tryAcquireShared
tryReleaseShared（共享锁）

在内部使用代理模式实现锁的功能

这样可以让暴露出的同步、互斥方法名由程序员自行决定。
例如各种锁可以使用

lock
unlock

Semaphore可以使用

acquire
release

CountDownLatch可以使用

await
countDown

2 AQS基本原理

要实现一个同步器,需要三个条件:

一个同步状态值,且可原子操作该状态值.显然CAS胜任
阻塞线程和解除阻塞线程的机制,可以用LockSupport来实现
维护一个阻塞线程的队列,并在队列的每个节点中存储线程的状态等信息

让我们看看AQS又是如何设计满足的这三个条件。

2.1 状态值及相应的操作方法

private volatile int state;

protected final int getState() {
    return state;
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

state 为 volatile int型,它的CAS方法，提供原子的比较更新操作。

一般，AQS认为

state == 0 时，同步器处于释放状态，多线程此时可竞争获取同步器
state ≠ 0 时，同步器处于已获取状态，后续线程需进入队列，等待同步器（可重入同步器允许获取同步器的线程再次进入该同步器，此时使用state计数）
当然，很多情况下，程序员也可自己定义state的值的含义，特别是在实现读写锁时，需要将state一分为二的用。