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Java多线程中的AQS简述

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1. 抽象的队列式的同步器,AQS(AbstractQueuedSynchronizer)定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,许多同步类实现都依赖于它,如常用的ReentrantLock.

2. AQS提供一个框架,用于实现依赖先进先出(FIFO)等待队列的阻塞锁和相关同步器(信号量,事件等)。 该类被设计为大多数类型的同步器的有用依据,这些同步器依赖于单个原子int值来表示状态。 子类必须定义改变此状态的受保护方法,以及根据该对象被获取或释放来定义该状态的含义。 给定这些,这个类中的其他方法执行所有排队和阻塞机制。

3. 它维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。

state的访问方式有三种:

(1)protected final int getState(): 返回同步状态的当前值。 这个操作具有一个volatile读取的记忆语义。

(2)protected final void setState(int newState): 设置同步状态的值。 这个操作有一个volatile写的内存语义。(newState – 新的状态值)

(3)protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update): 如果当前状态值等于期望值,则将同步状态原子地设置为给定的更新值。 此操作具有volatile读写的记忆语义。(expect – 期望值 update – 实际值);

4. AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)。

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已经在顶层实现好了。

5. 自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:

(1)isHeldExclusively():如果同步仅针对当前(调用)线程进行保存,则返回true,否则false。表示线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

(2)tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。

(3)tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

(4)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。

(5)tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

6. 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么次,这样才能保证state是能回到零态的。

 

7. 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。

 

8. 一般来说,自定义同步器要么是独占方式,要么是共享方式,它们也只需实现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。

关于AQS的原理,后面会详细介绍!

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