AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的本质探究

2023-09-25 01:50:52

AQS：并发世界的守护者

在计算机科学的世界里，并发性就像一块双刃剑。它可以让我们的机器同时处理多个任务，提高效率和吞吐量。但是，它也带来了一个棘手的挑战：如何协调对共享资源的访问，确保数据的安全和完整性。

为了解决这个问题，Java发明了锁的概念，就像交通灯一样，用来控制共享资源的访问权限。而AQS（AbstractQueuedSynchronizer）就是Java中用来实现锁和并发控制的核心类。它就像一个灵活的框架，可以让开发者根据自己的需求创建各种同步器。

AQS的本质

AQS的核心是一个队列数据结构，用来记录那些正在等待获取锁的线程。当一个线程需要获取锁时，它就会加入队列的末尾。当锁可用时，队列中的第一个线程就会得到它，然后继续执行。

AQS同时支持公平锁和非公平锁。公平锁就像一个井然有序的队伍，谁先来谁先得。非公平锁则更像是一个随机抽签，线程可以不按顺序获得锁。

AQS的主要方法

AQS提供了几个关键的方法来控制对锁的访问：

acquire()： 获取锁。如果锁不可用，当前线程就会加入队列并等待。
release()： 释放锁，让队列中的下一个线程可以获取锁。
tryAcquire()： 尝试获取锁。如果锁可用，立即获取；否则返回false。
hasQueuedThreads()： 检查队列中是否有等待线程。
getQueueLength()： 返回队列中等待线程的数量。

AQS的广泛应用

AQS的强大功能在Java并发库中得到了广泛的应用。它被用作以下同步器的基础：

ReentrantLock： 一种可重入锁，允许线程多次获取同一把锁。
Semaphore： 一种限制对共享资源访问次数的信号量。
CountDownLatch： 一种同步机制，用来等待多个线程完成各自的任务。

深入理解AQS

理解AQS的关键在于理解其内部队列的运作方式。队列维护着等待获取锁的线程，并根据公平性规则管理它们的访问。

AQS还使用了一个名为“状态”的内部字段，用来跟踪锁的当前状态。状态可以是“未锁”、“已锁”或“等待中”。

示例代码

以下是用AQS创建自定义锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class CustomLock extends AbstractQueuedSynchronizer {

    // 获取锁
    @Override
    public boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 检查状态是否为未锁
        if (getState() == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    // 释放锁
    @Override
    public boolean tryRelease(int releases) {
        if (!isHeldExclusively()) {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
        setExclusiveOwnerThread(null);
        setState(0);
        return true;
    }

    // 检查锁是否被当前线程持有
    @Override
    public boolean isHeldExclusively() {
        return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
    }
}