[并发]AQS实现原理

[并发]AQS实现原理

AQS全称AbstractQueuedSynchronizer，是Java并发包里面一个基础类，我们熟悉的很多并发工具同时通过继承它来实现的，譬如ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch等等。类如其名，抽象的队列式同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的框架，使用它能够简单且高效的构造出应用广泛的同步器。

基本原理

AQS名为队列同步器，内部就是通过维护了一个FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作，即如果同时有多个线程想获取共享资源，等待的线程将会进入此队列。AQS无法确定共享的资源到底是什么，但是可以需要维护共享资源的同步状态。实际上，AQS内部用一个int变量state来代表同步状态, 用volatile修饰来保证线程可见性。

private volatile int state;用户可以自己去实现如何表示同步状态。比如，如果一个线程成功获取了资源，那么state的值就加1；那么其它线程想获取资源时，看见这个同步状态state的值为1，便知道已经有一个线程获取了资源。相应的，如果一个线程释放了资源，state的值就减1，这样其它线程便知道了这个资源现在可以争抢使用了。

上面是如何实现同步状态的一个例子。state状态信息可以通过getState, setState和compareAndSetState方法进行重写和操作。

AQS支持两种资源的同步方式: 独占式(Exclusive) 和 共享式(Shared)。 独占式就是只能由一个线程去执行访问资源(如 ReentrantLock), 共享式则允许多个线程同时执行(如 Semaphore/CountDownLatch)。这样方便使用者实现不同类型的同步组件，可以自由发挥。

使用方式

AQS同步器的是基于模板方法模式的，使用时首先需要继承AQS类，并重写指定的方法。然后将AQS组合在自定义的同步组件的实现中，并调用模板方法。

AQS定义一些可重写的方法:protected boolean tryAcquire(int arg): 独占式获取同步状态，成功返回true，否则返回false。protected boolean tryRelease(int arg): 独占式释放同步状态。protected int tryAcquireShared(int arg): 共享式获取同步状态，返回值大于等于0则表示获取成功，否则获取失败。protected boolean tryReleaseShared(int arg): 共享式释放同步状态。 * protected boolean isHeldExclusively(): 是否在独占模式下被线程占用。

使用者可以重写这些方法来操作同步状态state，很明显需要tryAcquire和tryRelease搭配起来使用来实现独占式锁，tryAcquireShared和tryReleaseShared搭配起来使用来实现共享式锁。

重写的方法里面仅仅是简单的对于共享资源state的获取和释放操作就可以了。至于更复杂的逻辑，比如获取资源失败，线程阻塞/排队/唤醒之类的操作，AQS在顶层已经帮我们实现完成了。使用者只需要关注自己如何处理state同步状态这一部分事情就好，因此非常的方便。

接下来我们通过一段代码，自定义实现一个自己的锁，体会一下AQS的实际应用。

自定义锁

这里我们用AQS实现一个简单的锁，基本功能就是上锁和解锁，保证共享资源在上锁期间只有一个线程访问，也就是保证原子性。

处理state同步状态的逻辑也很简单，跟前面举的例子一样。即: 一个线程成功获取了资源，那么state的值就加1；那么其它线程想获取资源时，看见这个同步状态state的值为1，便知道已经有一个线程获取了资源, 就进入等待。相应的，如果一个线程释放了资源，state的值就减1，当state值为0的时候，等待线程就能去争抢获得这把锁。

代码如下, 依然是通过注释来解析步骤。测试方式是用多个线程做共享变量count++操作来说明问题。因为count++非原子操作，在多线程下会产生不一致的情况。我们开启10个线程，每个线程给count加一千次1，在单线程环境下，count最终值应该是10000。这里先列出的是不给count++加锁的代码，在并发环境下，count最终的值达不到一万。

public class Main {

static int count = 0;

// 使用CyclicBarrier保证所有线程都运行完毕后查看结果

private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(11);

// 初始化自定义锁

private static MyLock myLock = new MyLock();

public static void main(String args) throws Exception {

for(int i = 0; i < 10; i++) {

Thread t = new Thread(() -> {

for(int j = 0; j < 1000; j++) {

addOne();

}

try {

// 等候其它线程运行结束

barrier.await();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

});

t.start();

System.out.println("Count = " + count);

static void addOne() {

count++;

}运行上述不加锁的代码五次，结果分别如下，没有一次达到10000。

Count = 9443

Count = 9551

Count = 9724

Count = 9439

Count = 9313接下来我们用自定义的锁给count++加上锁，只需在addOne()方法中加入两行代码，其它代码保持不变。

myLock.lock();

myLock.unlock();

}依然运行五次，看看结果。

Count = 10000

Count = 10000结果都是10000，这说明我们自定义的锁成功了，保证了线程间独享变量，保证了count++的原子操作。

小结

AQS可以说是Java并发包的基石，本文通过分析实现原理并实现自定义锁来学习了AQS。并发包的很多工具类都是基于AQS实现的，理解AQS有助于更好的理解掌握Java并发知识。