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抽象队列同步器AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

Java 更新时间: 发布时间: IT归档 最新发布 模块sitemap 名妆网 法律咨询 聚返吧 英语巴士网 伯小乐 网商动力

抽象队列同步器AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

AQS(AbstractQueuedSynchronizer) AQS的概念

AQS (AbstractQuenedSynchronizer)抽象的队列式同步器。是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制,这个类在java.util.concurrent包下。AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架。

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。

通俗来说,AQS就是基于CLH队列锁实现的,用volatile修饰共享变量state,用CAS(CompareAndSwap)来改变state。state改变成功,则获得锁;改变失败,则进入CLH队列,等待被唤醒。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten): CLH队列是一个虚拟双向队列,即不存在队列实例,仅存在节点之间关联关系。

注: 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。


AQS具备的特性

可重入性公平/非公平性阻塞队列等待共享/独占允许中断 自定义同步器 AQS框架中的普遍实现:

一般通过定义内部类Sync继承AQS。将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法。 AQS内部维护属性 volatile int state

state(32位)表示资源的可用状态 State三种访问方式:

getState()setState()compareAndSetState() 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(可重入互斥锁)Share:共享,多个线程可以同时执行,如Semaphore(信号量)、CountDownLatch(门闩)、ReadWriteLock(读写锁),CyclicBarrier(环形栅栏) AQS定义两种队列

同步等待队列:
AQS当中的同步等待队列也称CLH队列,CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人 发明的一种基于双向链表数据结构的队列,是FIFO先入先出线程等待队列,Java中的CLH 队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。

条件等待队列:
Condition是一个多线程间协调通信的工具类,使得某个,或者某些线程一起等待某个 条件(Condition),只有当该条件具备时,这些等待线程才会被唤醒,从而重新争夺锁。

总结

不同的自定义同步器争夺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的获取和释放方式即可,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。

自定义同步器实现时,主要实现以下几种方法:

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fasle。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,有剩余可用资源。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节点返回true;否则返回fasle。


ReentranLock

ReentrantLock是一种基于AQS框架的应用实现,是JDK中的一种线程并发访问的同步 手段,它的功能类似于synchronized是一种互斥锁,可以保证线程安全。而且它具有比 synchronized更多的特性,比如它支持手动加锁与解锁,支持加锁的公平性。

//使用ReentrantLock进行同步 
//false为非公平锁, true为公平锁 
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
lock.lock() //加锁 
lock.unlock() //解锁

在ReentrantLock内部定义了一个Sync的内部类,该类继承AbstractQueuedSynchronized,对该抽象类的部分方法做了实现;并且还定义了两个子类:
1、FairSync 公平锁的实现
2、NonfairSync 非公平锁的实现
这两个类都继承自Sync,也就是间接继承了AbstractQueuedSynchronized,所以这一个ReentrantLock同时具备公平与非公平特性。


Semaphore Semaphore是什么?

Semaphore字面意思是信号量的意思,它的作用是控制访问特定资源的线程数目,底层依赖AQS的状态State,是生产中比较常用的一个工具类。

构造方法
public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits,boolean fair)

permits 表示许可线程的数量fair 表示公平性,默认是非公平,如果这个设为true,下次执行的线程会是等待最久的线程 重要方法

//阻塞并获取许可
public void acquire() throws InterruptedException
//释放许可
public void release()
tryAcquire(long time,TimeUnit unit)
原理

Semaphore在构造时,需要出入许可线程数量,最后传递给了AQS的state值。线程在调用acquire()方法获取许可时,如果Semaphore中许可证的数量大于0,许可证的数量减1,线程继续运行;当线程运行结束调用release方法时释放许可证,许可证的数量加1。如果获取许可证时,Semaphore中许可证的数量为0,则获取失败,线程进入AQS的等待队列中,等待被其它释放许可证的线程唤醒。


CountDownLatch CountDownLatch是什么?

CountDownLatch能使一个线程等待其他线程完成各自的任务后再执行。

例如,陪朋友去医院,一个去看病用时3秒,同时,一个去交钱用时5秒,最后一起回家(回归主线程)。

构造方法
public CountDownLatch(int count)

count作为计数器,为线程的数量。每当 一个线程完成了自己的任务后,计数器的值就会减1。当计数器值到达0时,它表示所有的 线程已经完成了任务。 重要方法

//当调用countDown方法时,计数器会被减1
public void countDown()
//当调用await方法时,如果计数器大于0时,线程会被阻塞,
//一直到计数器被countDown方法减到0时,线程才会继续执行。
public boolean await() throws InterruptedException

//await方法的重载,当计数器减到0或超过超时时间,线程继续执行。
public boolean await(long timeout,TimeUnit unit) throws InterruptedException
原理

CountDownLatch在构造时,传入计数器值,作为AQS中state的值。当调用countDown(),计数器减1。当计数器值减到0时,表示所有线程已经完成了任务,然后调用await()的线程,也就是在等待的线程就可以恢复执行任务。


CyclicBarrier CyclicBarrier是什么?

栅栏屏障,CyclicBarrier可以让一组线程到达一个屏障(同步点)时被阻塞,直到最后一个线程到达屏障时,屏障才会放开,所有被屏障拦截的线程继续执行。

构造方法
public CyclicBarrier(int parties)
public CyclicBarrier(int parties,Runnable barrierAction)

parties 指让多少个线程或者任务等待至barrier状态。barrierAction 为当这些线程都达到barrier状态时会执行的内容。 重要方法

//比较常用,用来挂起当前线程。
//直至所有线程都到达barrier状态再同时执行后续任务;
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException

//让这些线程等待至一定的时间,如果超时,还有线程没有到达barrier状态就直接让到达barrier的线程执行后续任务。
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException
原理

CyclicBarrier在构造时,传入屏障拦截的线程数量(parties),作为AQS中state的值。每个线程调用await()告诉CyclicBarrier到达了屏障,parties减1,然后当前线程被阻塞。当所有线程都到达了屏障,也就是parties减到0,所有被拦截的线程继续执行任务。

扩展:CyclicBarrier与CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次,而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置,可以使用多次,所以CyclicBarrier能够处理更为复杂的场景;

CyclicBarrier还提供了一些其他有用的方法,比如getNumberWaiting()方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量,isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断;

CountDownLatch允许一个或多个线程等待一组事件的产生,而CyclicBarrier用于等待其他线程运行到栅栏位置。

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