AQS解析之美的本质

2023-05-24 23:17:01

AQS：揭秘并发世界的幕后英雄

在计算机科学的世界中，协调多个线程同时访问共享资源至关重要，这就是同步工具发挥作用的地方。其中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个强大且灵活的Java并发库，它为构建各种同步工具奠定了基础。让我们深入了解AQS，揭开它在并发编程中的秘密。

AQS的核心思想

AQS的核心思想围绕着一个共享状态变量“state”展开。这个变量表示锁的当前状态，例如未锁定、锁定或排他锁定。除此之外，AQS还维护了一个FIFO（先进先出）等待队列，用于存储那些希望获取锁但尚未成功的线程。

当一个线程想要获取锁时，它首先尝试使用CAS（Compare-And-Swap）原子操作将“state”的状态设置为期望的值。如果成功，则意味着该线程已成功获取锁；否则，这意味着锁已被其他线程获取。此时，该线程将自己加入等待队列并进入阻塞状态。

一旦锁被释放，AQS将唤醒等待队列中的线程，为它们提供再次尝试获取锁的机会。

AQS的实现原理

AQS使用volatile修饰的“state”变量来表示锁的状态。这个32位整型变量可以表示多种状态，包括未锁定（0）、锁定（1）和排他锁定（2）等。此外，AQS还维护了一个FIFO线程等待队列。

AQS提供了多种锁实现，包括：

独占锁： 仅允许一个线程持有锁。
共享锁： 允许多个线程同时持有锁。
公平锁： 确保线程获取锁的顺序与其请求锁的顺序相同。
非公平锁： 不保证线程获取锁的顺序与其请求锁的顺序相同。

AQS的应用场景

AQS是一个极其通用的锁实现，可用于各种场景，包括：

互斥锁： 确保只有一个线程可以访问共享资源。
读写锁： 允许多个线程同时读共享资源，但只有一个线程可以写共享资源。
可重入锁： 允许一个线程多次获取同一把锁。
条件变量： 允许线程等待某个条件满足后再继续执行。

AQS的优势

高性能： AQS使用CAS原子操作来实现锁的获取和释放，这带来了极高的性能。
可扩展性： AQS提供了多种锁实现，可根据不同的场景选择合适的锁类型。
灵活性： AQS可用于实现各种同步工具，包括互斥锁、读写锁、可重入锁和条件变量等。

AQS的局限性

复杂性： AQS的实现原理相对复杂，这使得其学习和使用具有挑战性。
开销： 使用AQS会带来一定开销，可能影响程序性能。

代码示例

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class CustomMutex extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 获取锁
    public void acquire() {
        acquire(1);
    }

    // 释放锁
    public void release() {
        release(1);
    }

    // 获取锁的独占模式
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        return compareAndSetState(0, 1);
    }

    // 释放锁的独占模式
    @Override
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        return compareAndSetState(1, 0);
    }

    // 返回锁的状态
    @Override
    protected int getState() {
        return getState();
    }
}