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Java 并发编程 —— AQS 抽象队列同步器

news 2024/9/20 21:49:43

文章目录

- - 什么是 AQS
  - 底层数据结构—— CLH 队列
  - 入队和出队
  - 状态标志位
  - AQS 的代码设计思路
  - AQS 提供的钩子方法
  - 参考资料

什么是 AQS

AQS 是 JUC 提供的一个用于构建锁和同步容器的基础类，用于减少由于无效争夺导致的资源浪费和性能恶化。JUC 包内的许多类都是基于 AQS 构建，例如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock、FutureTask 等。AQS 解决了在实现同步容器时设计的大量细节问题。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizerextends AbstractOwnableSynchronizerimplements java.io.Serializable {
}

AQS 的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且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，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制。

这个机制是基于 CLH 锁 （Craig, Landin, and Hagersten locks）实现的，即一个虚拟的双向队列。AQS 将每条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 队列锁的一个结点（Node）来实现锁的分配。

底层数据结构—— CLH 队列

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）内部维护的确是一个 FIFO（先进先出）的双向链表结构，用于管理线程的同步状态。这个双向链表的结构特点是，能够从任意节点很方便地访问它的前驱和后继节点，从而在需要唤醒某个线程时，可以快速地找到并操作相关节点。

AQS 的 Node 节点是封装了线程的基本单元，它们存储线程的信息以及线程的状态。每个线程在争抢锁失败后，会被封装成一个 Node 节点，并添加到队列的尾部。当持有锁的线程释放锁时，它会唤醒队列中第一个等待的节点（FIFO），该节点的线程将重新尝试获取锁。如果成功获取锁，该线程将继续执行。

  private transient volatile Node head;private transient volatile Node tail;abstract static class Node {volatile Node prev;       // initially attached via casTailvolatile Node next;       // visibly nonnull when signallableThread waiter;            // visibly nonnull when enqueuedvolatile int status;      // written by owner, atomic bit ops by others...}

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入队和出队

每当线程通过 AQS 获取锁失败时，线程将被封装成一个 Node 节点，通过 CAS 原子操作插入队列尾部。当有线程释放锁时，AQS 会尝试让队首的后驱节点占用锁。AQS的队首节点和队尾节点都是懒加载的。

    final void enqueue(Node node) {if (node != null) {for (;;) {Node t = tail;node.setPrevRelaxed(t);        // avoid unnecessary fenceif (t == null)                 // initializetryInitializeHead();else if (casTail(t, node)) {t.next = node;if (t.status < 0)          // wake up to clean linkLockSupport.unpark(node.waiter);break;}}}}

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状态标志位

state 用于表示同步状态，volatile 确保多线程环境下，对 state 的修改能立即反映到其他线程中，常用于简单的状态标记或轻量级的同步控制。在 ReentrantLock 类中，state 就用于实现可重入锁。

同时， AQS 提供了 CAS 算法实现的修改方法 compareAndSetState()。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizerextends AbstractOwnableSynchronizerimplements java.io.Serializable {/*** The synchronization state.*/private volatile int state;protected final int getState() {return state;}protected final void setState(int newState) {state = newState;}// CAS 修改方法protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return U.compareAndSetInt(this, STATE, expect, update);}}