解读 AQS，探寻并行编程的艺术
2024-01-11 18:50:33
AQS：Java并发编程的基石
在 Java 的早期时代，并发编程主要依赖于内置的 synchronized 和 wait()/notify() 方法。然而，这些底层机制的使用灵活性不足，难以满足不断增长的复杂并发需求。
为了解决这一难题，Java 5 引入了 AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 。AQS 是一个抽象类，提供了一系列原语，使开发者能够轻松构建自己的同步器。这些同步器可以控制资源访问、协调线程协作，并确保程序的正确性和一致性。
AQS 的原理
AQS 的核心思想是使用一个共享队列来管理线程的等待和唤醒。当一个线程需要访问受保护的资源时，它会首先尝试获取资源的锁。如果锁已被其他线程持有，当前线程将被挂起，并加入到队列中等待。
当持有锁的线程释放锁时，AQS 会唤醒队列中等待的最前面的线程，使其能够获取锁并继续执行。这种机制确保了资源的互斥访问，防止多个线程同时操作同一个资源，导致数据不一致。
AQS 的数据结构
AQS 使用一个名为 CLH 队列的数据结构来管理等待的线程。CLH 队列是一种链表结构，每个节点代表一个等待的线程。当一个线程需要等待时，它会创建一个新的节点并将其添加到队列的末尾。
当 AQS 唤醒一个线程时，它会从队列的头部取出该节点，并将锁交给该线程。这种机制确保了等待队列的先进先出 (FIFO) 特性，保证了线程的公平性。
AQS 对 CLH 队列锁的改进
在 CLH 队列锁的基础上，AQS 做了一些改进，使其更加高效和可靠。
- 自旋锁： 自旋锁是一种忙等待机制，当一个线程试图获取锁时，它会不断地检查锁的状态，直到锁被释放。这种机制可以避免线程切换带来的性能开销，提高了锁获取的效率。
- 自定义公平策略： AQS 允许开发者指定自定义的公平策略。在默认情况下，AQS 使用公平锁，即线程按照进入队列的顺序获取锁。然而，开发者也可以选择使用非公平锁，在这种情况下，线程获取锁的顺序是不确定的。
AQS 的核心方法
AQS 提供了几个核心的方法，允许开发者轻松构建自己的同步器。这些方法包括：
acquire(): 尝试获取锁。如果锁已被其他线程持有，当前线程将被挂起，并加入到队列中等待。release(): 释放锁。当持有锁的线程释放锁时，AQS 会唤醒队列中等待的最前面的线程。tryAcquire(): 尝试获取锁，但不阻塞当前线程。如果锁已被其他线程持有，则该方法将立即返回false。hasQueuedThreads(): 检查是否有线程在等待获取锁。getQueueLength(): 获取等待获取锁的线程数。
代码示例：实现一个简单的锁
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
public class SimpleLock extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 定义锁的状态，初始值为 0，表示未加锁
private static final int UNLOCKED = 0;
// 定义锁的状态，初始值为 1，表示已加锁
private static final int LOCKED = 1;
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
// 如果当前锁处于未加锁状态，则获取锁并返回 true
if (compareAndSetState(UNLOCKED, LOCKED)) {
return true;
}
// 否则，返回 false
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int releases) {
// 如果当前锁处于已加锁状态，则释放锁并返回 true
if (compareAndSetState(LOCKED, UNLOCKED)) {
return true;
}
// 否则，返回 false
return false;
}
public void lock() {
// 尝试获取锁，如果失败，则阻塞当前线程
acquire(1);
}
public void unlock() {
// 释放锁
release(1);
}
}
常见问题解答
-
AQS 和
synchronized有什么区别？
AQS 是一个更底层的抽象，它提供了更多的灵活性，允许开发者构建自定义的同步器。相比之下，synchronized是一个内置的语法糖，它使用monitorenter和monitorexit指令来实现同步。 -
AQS 的性能如何？
AQS 的性能非常高，它使用自旋锁和先进先出 (FIFO) 队列来实现高效的锁获取和释放。 -
AQS 可以用于哪些场景？
AQS 可以用于各种场景，包括线程同步、资源管理、读写锁和条件变量等。 -
如何使用 AQS 构建自定义同步器？
要使用 AQS 构建自定义同步器，开发者需要扩展AbstractQueuedSynchronizer类并实现tryAcquire()和tryRelease()方法来定义同步器的行为。 -
AQS 在 Java 中的哪些类中被使用？
AQS 在 Java 中的许多类中被使用，包括ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch等。
