AQS：从简单原理到高性能同步结构的基石

后端

2023-11-14 22:12:22

Java并发编程中同步的基石：AQS

在Java并发编程的世界中，同步机制至关重要，它确保了共享资源在多线程环境下得到安全访问。其中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）扮演着举足轻重的角色，它为我们提供了构建各种同步结构的通用框架。

AQS的基本原理

AQS的核心数据结构是一个队列，称为同步队列。就像排队一样，当一个线程需要访问共享资源时，它会先尝试获取同步队列的头节点。如果头节点为空，说明资源可用，线程可以顺利获取资源。

如果头节点不为空，说明资源已被占用，线程需要耐心地进入等待状态，并且将自己添加到同步队列的尾部。资源释放后，队列中的线程将被唤醒，并重新争抢头节点。如此往复，直到所有线程都成功获取到资源。

AQS提供的关键方法

AQS提供了一系列方法，帮助我们控制线程对资源的访问：

acquire(): 获取资源，如果资源可用，直接返回；如果不可用，进入等待状态。
release(): 释放资源，唤醒等待队列中的线程。
tryAcquire(): 尝试获取资源，如果资源可用，直接返回；如果不可用，直接返回false，不进入等待状态。
hasQueuedThreads(): 检查是否有线程在等待队列中。
getQueueLength(): 获取等待队列的长度。

AQS的应用场景

AQS被广泛应用于构建各种同步结构，包括：

锁：最简单的同步结构，一次只能允许一个线程访问共享资源。
读写锁： 允许多个线程同时读共享资源，但只能有一个线程写共享资源。
信号量： 控制特定数量的线程同时访问共享资源。

AQS的优势

通用性强： AQS提供了一套通用的同步机制，可以帮助我们轻松构建各种同步结构。
高性能： AQS采用队列数据结构，有效减少了线程竞争，提高了同步效率。
可扩展性强： AQS可以根据不同的同步需求进行扩展。

AQS的局限性

复杂性： AQS的实现较为复杂，理解和使用有一定的难度。
开销： AQS的实现需要额外的内存和CPU开销。

代码示例

以下是一个使用AQS构建简单锁的代码示例：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;

public class SimpleLock extends AbstractQueuedSynchronizer {

    // 独占锁状态
    private static final int LOCKED = 1;

    // 创建条件变量
    private final Condition condition = new ConditionObject();

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 如果当前状态为未锁定，则将其设置为锁定，并返回 true
        if (compareAndSetState(0, LOCKED)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        // 如果当前线程是独占拥有者，则将其状态设置为未锁定
        if (isHeldExclusively()) {
            setState(0);
            setExclusiveOwnerThread(null);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 获取条件变量
    public Condition newCondition() {
        return condition;
    }
}