揭开同步器AbstractQueuedSynchronizer的神秘面纱

2023-09-27 21:49:04

AbstractQueuedSynchronizer：并发编程的明灯

在浩瀚的 Java 并发世界中，AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 宛若一盏明灯，指引着我们驾驭并发编程的惊涛骇浪。它是一个抽象类，是众多并发数据结构和同步原语（如 ReentrantLock、Semaphore 和 ReadWriteLock）的基石。掌握 AQS 的奥秘，犹如打开了一扇通往并发编程殿堂的大门。

AQS 的结构与机制

AQS 的核心是一个双向链表，称为 “等待队列” ，用于存储正在等待获取锁的线程。此外，AQS 还维护了一个称为 “状态” 的整型变量，用于表示锁的当前状态。这个状态变量是一个私有字段，由 AQS 的子类通过重写方法来实现。

AQS 的运作主要依赖于两个基本操作：

acquire(int)：尝试获取锁。如果锁不可用，当前线程将被添加到等待队列并进入阻塞状态。
release(int)：释放锁。如果等待队列中还有线程，则唤醒队首线程并授予其锁。

同步状态

AQS 维护着一个称为 “同步状态” 的概念，它代表锁的当前状态。同步状态是一个整型常量，由 AQS 的子类通过重写方法来定义。常见的同步状态包括：

无锁状态 (0) ：表示锁未被任何线程持有。
排他锁状态 (1) ：表示锁被一个线程独占持有。
共享锁状态 (2) ：表示锁被多个线程共享持有。

公平锁与非公平锁

AQS 支持公平锁和非公平锁。公平锁确保等待队列中的线程以先到先得的顺序获取锁，而非公平锁允许线程随机获取锁。公平锁通过维护一个称为 “FIFO 队列” 的等待队列来实现，该队列保证先进入队列的线程首先获取锁。

AQS 的优势

AQS 在 Java 并发编程中备受推崇，因为它具有以下优势：

可扩展性： AQS 是一个抽象类，允许子类定制同步行为。这种可扩展性使 AQS 能够适应各种并发需求。
灵活性： AQS 提供了对锁获取和释放过程的精细控制，使开发人员能够针对特定应用优化同步行为。
高性能： AQS 通过使用队列和原子变量实现了高效的同步机制，从而最大限度地减少了锁争用和性能开销。

AQS 的应用

AQS 在 Java 并发的各个领域都有广泛的应用，包括：

锁： ReentrantLock 和 Semaphore 等锁原语都是基于 AQS 实现的。
数据结构： ConcurrentHashMap 和 ConcurrentLinkedQueue 等并发数据结构也依赖于 AQS 来实现线程安全。
并发工具类： CountDownLatch 和 CyclicBarrier 等并发工具类也利用 AQS 来实现协调和同步。

代码示例：使用 ReentrantLock 实现同步

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SyncExample {
    private static int count = 0;
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 创建多个线程并发更新计数器
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                try {
                    lock.lock(); // 获取锁
                    count++; // 更新计数器
                } finally {
                    lock.unlock(); // 释放锁
                }
            });
            thread.start();
        }

        // 等待所有线程完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 打印最终计数器值
        System.out.println("最终计数器值：" + count);
    }
}