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【Java】J.U.C包AQS机制

Java并发包(java.util.concurrent)中提供了很多并发工具,这其中,很多我们耳熟能详的并发工具,譬如ReentrantLock、Semaphore,CountDownLatch,CyclicBarrier,它们的实现都用到了一个共同的基类 - AbstractQueuedSynchronizer ,简称AQS。AQS提供了一种原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。是一个用来构建锁和同步器的框架,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等等皆是基于AQS的。

设计思想

同步器背后的基本思想非常简单,可以参考AQS作者 Doug Lea 的论文: The java.util.concurrent Synchronizer Framework 。同步器一般包含两种方法,一种是acquire,另一种是release。

  • acquire操作阻塞调用的线程,直到同步状态允许其继续执行。
  • release操作则是改变同步状态,使得一或多个被acquire阻塞的线程继续执行。

其中acquire操作伪代码如下:

while (synchronization state does not allow acquire) {
	enqueue current thread if not already queued;
	possibly block current thread;
}
dequeue current thread if it was queued;

release操作伪代码如下:

update synchronization state;
if (state may permit a blocked thread to acquire)
	unblock one or more queued threads;

为了实现上述操作,需要下面三个基本组件的相互协作:

  • 同步状态的原子性管理;
  • 线程的阻塞与解除阻塞;
  • 队列的管理;

AQS框架借助于两个类: Unsafe (提供CAS操作) 和 LockSupport (提供park/unpark操作)。

1. 同步状态的原子性管理

AQS类使用单个 int (32位)来保存同步状态,并暴露出 getStatesetState 以及 compareAndSet 操作来读取和更新这个状态。该整数可以表现任何状态。比如, Semaphore 用它来表现剩余的许可数, ReentrantLock 用它来表现拥有它的线程已经请求了多少次锁; FutureTask 用它来表现任务的状态(尚未开始、运行、完成和取消)。

如JDK的文档中所说,使用AQS来实现一个同步器需要覆盖实现如下几个方法,并且使用 getStatesetStatecompareAndSetState 这几个方法来设置或者获取状态。

  • boolean tryAcquire(int arg)

  • boolean tryRelease(int arg)

  • int tryAcquireShared(int arg)

  • boolean tryReleaseShared(int arg)

  • boolean isHeldExclusively()

以上方法不需要全部实现,根据获取的锁的种类可以选择实现不同的方法,支持独占(排他)获取锁的同步器应该实现 tryAcquiretryReleaseisHeldExclusively 而支持共享获取的同步器应该实现 tryAcquireSharedtryReleaseSharedisHeldExclusively 。下面以 CountDownLatch 举例说明基于AQS实现同步器, CountDownLatch 用同步状态持有当前计数, countDown 方法调用 release从而导致计数器递减;当计数器为0时,解除所有线程的等待; await 调用acquire,如果计数器为0, acquire 会立即返回,否则阻塞。

原文  https://itimetraveler.github.io/2018/07/19/【Java】锁 - AQS机制/
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