AQS 独占模式：深入理解 JUC 中的同步基础
2023-10-24 22:48:12
前言
说起 JUC（Java 并发包），我们常常会想起其中的线程池（ExecutorService）。然而，今天让我们将目光投向另一个核心模块 AQS（AbstractQueuedSynchronizer），它在 JUC 中扮演着同步器的基石角色。比如，我们熟知的 ReentrantLock 便正是基于 AQS 构建的。
AQS 的核心思想
AQS 的设计理念在于引入一个共享且可变的状态变量，称为 state。通过对 state 进行操作，我们可以实现线程之间的同步和协调。state 的取值可以代表不同的同步状态，如未加锁、独占加锁等。
独占模式
独占模式是 AQS 提供的三种基本模式之一，也是最常用的模式。在独占模式下，一次仅允许一个线程获得锁。当一个线程成功获取锁后，其他线程将被阻塞，直到该线程释放锁。
独占模式的实现
AQS 通过一个名为 CLH 队列（Craig, Landin, and Hagersten）来实现独占模式。CLH 队列是一个链表，其中每个节点代表一个请求获取锁的线程。当一个线程尝试获取锁时，它会首先尝试 CAS（Compare And Swap） state 的值。如果 state 为 0（表示未加锁），则该线程会将 state 设置为 1（表示已加锁），并将其自身添加到队列尾部。
如果 CAS 失败，说明另一个线程已经获取了锁，该线程会自旋（轮询）检查 state，直到 state 变为 0。当 state 变为 0 时，该线程会再次尝试 CAS，直到成功获取锁。
获取锁的步骤
以下是获取独占锁的步骤：
- 如果 state 为 0，则 CAS 将其设置为 1 并获取锁。
- 如果 state 不为 0，则创建一个节点并将其添加到 CLH 队列尾部。
- 自旋检查 state，直到其变为 0。
- 重复步骤 1，直到成功获取锁。
释放锁的步骤
释放独占锁的步骤相对简单：
- 如果 state 为 0，则表明锁未被持有，直接返回。
- 如果 state 为 1，则 CAS 将其设置为 0，释放锁。
- 如果 state 不为 0，则表明锁已被其他线程持有，抛出异常。
独占模式的应用
独占模式广泛应用于各种同步场景，比如：
- ReentranLock： 一个可重入锁，允许一个线程多次获取同一把锁。
- Semaphore： 一种用于限制访问共享资源的信号量。
- CountDownLatch： 一种用于等待多个线程完成特定任务的同步工具。
结论
AQS 的独占模式是 JUC 中同步器设计的基石。通过理解其工作原理，我们可以更好地理解 JUC 中各种同步类的行为。独占模式的广泛应用凸显了其在构建并发程序中的重要性。
