领悟AQS同步队列精髓，开启并发编程新视界

AQS同步队列：Java并发编程中的耀眼光辉

概述

在Java并发编程的浩瀚领域中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）同步队列宛如一颗璀璨的明星，指引着开发者在多线程编程的道路上前行。作为Java并发编程的基础设施，AQS巧妙地将同步原语与队列机制融为一体，为构建各种同步组件提供了统一的框架，包括独占锁、共享锁、条件变量、倒计数器和信号量等。

AQS同步队列的魅力

AQS同步队列的设计理念堪称匠心独具，它将同步操作抽象为状态的改变，并通过队列管理等待获取锁的线程。当一个线程需要获取锁时，它首先尝试通过CAS（Compare-And-Swap）操作直接获取锁。如果获取成功，则该线程直接执行临界区代码。如果获取失败，则该线程会加入到一个等待队列中，并休眠等待。当锁被释放时，等待队列中的线程会被唤醒，并再次尝试获取锁。

这种设计理念的优点在于，它避免了锁竞争时可能产生的死锁问题。同时，它还允许对同步操作进行自定义和扩展，从而满足各种并发场景的需要。

AQS同步队列的内部结构

AQS同步队列的内部结构并不复杂，主要由以下几个部分组成：

• state： 一个整型变量，用于存储锁的状态。state的值可以是0、1或其他正整数，分别表示锁的未锁定状态、锁定状态和等待队列的长度。
• head： 一个指向等待队列头节点的引用。等待队列是一个双向链表，用于存储等待获取锁的线程。
• tail： 一个指向等待队列尾节点的引用。
• waiter： 一个指向等待队列中最后一个节点的引用。
• next： 每个节点都有一个指向下一个节点的引用。
• prev： 每个节点都有一个指向上一个节点的引用。

AQS同步队列的操作方法

AQS同步队列提供了丰富的操作方法，包括获取锁、释放锁、尝试获取锁、条件等待等。这些方法都是围绕着state变量进行操作的。

• acquire(int arg)： 尝试获取锁，如果获取成功则返回true，否则返回false。
• release(int arg)： 释放锁。
• tryAcquire(int arg)： 尝试获取锁，如果获取成功则返回true，否则返回false。
• await(int arg)： 等待锁被释放，直到超时或被唤醒。
• signalAll()： 唤醒所有等待的线程。
• signal()： 唤醒一个等待的线程。

AQS同步队列的使用场景

AQS同步队列可以用于构建各种同步组件，包括独占锁、共享锁、条件变量、倒计数器和信号量等。

• 独占锁： AQS可以用来实现独占锁，即一次只能有一个线程获取锁。
• 共享锁： AQS可以用来实现共享锁，即多个线程可以同时获取锁。
• 条件变量： AQS可以用来实现条件变量，即一个线程可以等待另一个线程释放锁。
• 倒计数器： AQS可以用来实现倒计数器，即一个线程可以等待另一个线程将计数器减到0。
• 信号量： AQS可以用来实现信号量，即一个线程可以等待另一个线程释放信号量。

代码示例

以下是一个使用AQS同步队列构建独占锁的代码示例：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class MyExclusiveLock extends AbstractQueuedSynchronizer {

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        if (getState() == 1 && getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()) {
            setState(0);
            setExclusiveOwnerThread(null);
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean isHeldExclusively() {
        return getState() == 1;
    }
}

扩展与定制AQS同步队列

AQS同步队列的优点在于它提供了灵活高效的同步机制，同时允许对同步操作进行自定义和扩展。我们可以根据需要继承AQS类，并根据需要进行扩展和定制。

例如，我们可以继承AQS类并实现一个公平锁，即等待时间最长的线程优先获取锁。我们也可以继承AQS类并实现一个可重入锁，即一个线程可以多次获取同一个锁。

常见问题解答

• Q：AQS同步队列与其他同步机制有什么区别？

  • A：AQS同步队列与其他同步机制的主要区别在于，它将同步操作抽象为状态的改变，并通过队列管理等待获取锁的线程。这使得它可以灵活地构建各种同步组件，并允许对同步操作进行自定义和扩展。

• Q：AQS同步队列是如何避免死锁的？

  • A：AQS同步队列使用CAS操作来获取锁，这可以避免死锁的发生。当一个线程尝试获取锁时，它会尝试将锁的状态从0（未锁定）更改为1（锁定）。如果锁的状态已经更改为1，则该线程会被加入到等待队列中，并休眠等待。当锁被释放时，等待队列中的线程会被唤醒，并再次尝试获取锁。

• Q：AQS同步队列的性能如何？

  • A：AQS同步队列的性能非常高，因为它使用CAS操作来获取锁。CAS操作是一种非常高效的操作，可以避免锁竞争时可能产生的性能问题。

• Q：AQS同步队列有哪些缺点？

  • A：AQS同步队列的主要缺点在于，它可能存在优先级反转问题。当一个低优先级的线程在高优先级的线程之前获取锁时，就会发生优先级反转。

• Q：AQS同步队列是否适合所有并发场景？

  • A：AQS同步队列是一种非常灵活的同步机制，它可以适用于各种并发场景。但是，在某些情况下，其他同步机制（如互斥量）可能更适合。