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Java并发 --- AQS解析

2021-06-18  本文已影响0人  _code_x

常见问题：对某个知识点的理解或看法，一般从是什么，原理，好处与应用场景来回答

  1. 你对AQS的理解（想法）？

  2. CountDownLatch 和 CyclicBarrier 了解吗，两者的区别是什么？

  3. 用过 Semaphore 吗？

1 AQS 简单介绍

AQS 的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

AQS 是一个用来构建锁和同步器的基础框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器。比如我们提到的 ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask(jdk1.7) 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

用大白话来说，AQS就是基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，同时等待被唤醒。

2 AQS 原理

2.1 AQS 原理概览

AQS 核心思想：

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。

AQS 是将每条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配，即通过内置的先进先出队列（FIFO）,完成获取资源线程的排队工作。

看个 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图：

AQS 使用一个volatile int 成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS 使用 CAS 对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state;    //共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过 protected 类型的 getState，setState，compareAndSetState 进行操作。

ps：protected：被保护的方法，存在继承关系，父类方法被保护，父类可以自己调用，子类也可以调用父类的protected方法，非继承关系不可见

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {
    return state;
}
//设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

补充：为什么只有前驱节点是头节点时才能尝试获取同步状态？

2.2 AQS 对资源的共享方式

AQS 定义两种资源共享方式

（1）Exclusive（独占）

只有一个线程能执行，如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁,ReentrantLock 同时支持两种锁,下面以 ReentrantLock 对这两种锁的定义做介绍：

说明：下面这部分关于 ReentrantLock 源代码内容节选自：https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer-2 ，这是一篇很不错文章，推荐阅读。

下面来看 ReentrantLock 中相关的源代码：

ReentrantLock 默认采用非公平锁，因为考虑获得更好的性能，通过 boolean 来决定是否用公平锁（传入 true 用公平锁）。

/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
public ReentrantLock() {
    // 默认非公平锁
    sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock 中公平锁的 lock 方法

static final class FairSync extends Sync {
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 1. 和非公平锁相比，这里多了一个判断：是否有线程在等待
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

非公平锁的 lock 方法：

static final class NonfairSync extends Sync {
    final void lock() {
        // 2. 和公平锁相比，这里会直接先进行一次CAS，成功就返回了
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
/**
 * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
 * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 这里没有对阻塞队列进行判断
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

ps：公平锁和非公平锁只有两处不同

  1. 非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁返回了。
  2. 非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法，在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁，但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。

ps：如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的，都要进入到阻塞队列等待唤醒。

（2）Share（共享）

总结：

独占模式通过 acquire 和 release 方法获取和释放锁，共享模式通过 acquireShared 和 releaseShared 方法获取和释放锁。

2.3 AQS 底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

  1. 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源 state 的获取和释放）
  2. 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用，下面简单的给大家介绍一下模板方法模式，模板方法模式是一个很容易理解的设计模式之一。

模板方法模式是基于”继承“的，主要是为了在不改变模板结构的前提下在子类中重新定义模板中的内容以实现复用代码。

举个很简单的例子假如我们要去一个地方的步骤是：购票buyTicket()->安检securityCheck()->乘坐某某工具回家ride()->到达目的地arrive()。我们可能乘坐不同的交通工具回家比如飞机或者火车，所以除了ride()方法，其他方法的实现几乎相同。我们可以定义一个包含了这些方法的抽象类，然后用户根据自己的需要继承该抽象类然后修改 ride()方法。

AQS 使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个 AQS 提供的模板方法：

isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
    
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
    
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS 类中的其他方法都是 final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。

推荐两篇 AQS 原理和相关源码分析的文章：

3 Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问

synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源（独占式），Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源（共享式)。

示例代码如下：

public class SemaphoreExample1 {
  // 请求的数量
  private static final int threadCount = 550;

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建一个具有固定线程数量的线程池对象（如果这里线程池的线程数量给太少的话你会发现执行的很慢）
    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(300);
    // 一次只能允许执行的线程数量。
    final Semaphore semaphore = new Semaphore(20);

    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
      final int threadnum = i;
      threadPool.execute(() -> {// Lambda 表达式的运用
        try {
          semaphore.acquire();// 获取一个许可，所以可运行线程数量为20/1=20
          test(threadnum);
          semaphore.release();// 释放一个许可
        } catch (InterruptedException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        }

      });
    }
    threadPool.shutdown();
    System.out.println("finish");
  }

  public static void test(int threadnum) throws InterruptedException {
    Thread.sleep(1000);// 模拟请求的耗时操作
    System.out.println("threadnum:" + threadnum);
    Thread.sleep(1000);// 模拟请求的耗时操作
  }
}

执行 acquire 方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；每个 release 方法增加一个许可证，这可能会释放一个阻塞的 acquire 方法。然而，其实并没有实际的许可证这个对象，Semaphore 只是维持了一个可获得许可证的数量。 Semaphore 经常用于限制获取某种资源的线程数量。

当然一次也可以一次拿取和释放多个许可，不过一般没有必要这样做：

semaphore.acquire(5);// 获取5个许可，所以可运行线程数量为20/5=4
test(threadnum);
semaphore.release(5);// 获取5个许可，所以可运行线程数量为20/5=4

除了 acquire方法之外，另一个比较常用的与之对应的方法是tryAcquire方法，该方法如果获取不到许可就立即返回 false。

Semaphore 有两种模式，公平模式和非公平模式。

Semaphore 对应的两个构造方法如下：

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

这两个构造方法都必须提供许可的数量；第二个构造方法可以指定模式，默认非公平模式。

总结：

Semaphore 源码分析：https://juejin.im/post/5ae755366fb9a07ab508adc6

4 CountDownLatch （倒计时器）

4.1 CountDownLatch 的两种典型用法

4.2 CountDownLatch 的使用示例

public class CountDownLatchExample1 {
  // 请求的数量
  private static final int threadCount = 550;

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建一个具有固定线程数量的线程池对象（如果这里线程池的线程数量给太少的话你会发现执行的很慢）
    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(300);
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
      final int threadnum = i;
      threadPool.execute(() -> {// Lambda 表达式的运用
        try {
          test(threadnum);
        } catch (InterruptedException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        } finally {
          countDownLatch.countDown();// 表示一个请求已经被完成
        }

      });
    }
    countDownLatch.await();
    threadPool.shutdown();
    System.out.println("finish");
  }

  public static void test(int threadnum) throws InterruptedException {
    Thread.sleep(1000);// 模拟请求的耗时操作
    System.out.println("threadnum:" + threadnum);
    Thread.sleep(1000);// 模拟请求的耗时操作
  }
}

上面的代码中，我们定义了请求的数量为 550，当这 550 个请求被处理完成之后，才会执行System.out.println("finish");。

与 CountDownLatch 的第一次交互是主线程等待其他线程。主线程必须在启动其他线程后立即调用 CountDownLatch.await() 方法。这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞，直到其他线程完成各自的任务。

其他 N 个线程必须引用闭锁对象，因为他们需要通知 CountDownLatch 对象，他们已经完成了各自的任务。这种通知机制是通过 CountDownLatch.countDown()方法来完成的；每调用一次这个方法，在构造函数中初始化的 count 值就减 1。所以当 N 个线程都调 用了这个方法，count 的值等于 0，然后主线程就能通过 await()方法，恢复执行自己的任务。

再插一嘴：CountDownLatch 的 await() 方法使用不当很容易产生死锁，比如我们上面代码中的 for 循环改为：

for (int i = 0; i < threadCount-1; i++) {
.......
}

这样就导致 count 的值没办法等于 0，然后就会导致一直等待。

如果对CountDownLatch源码感兴趣的朋友，可以查看： 【JUC】JDK1.8源码分析之CountDownLatch（五）

注意：CountDownLatch 是一次性的，计数器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当 CountDownLatch 使用完毕后，它不能再次被使用。

5 CyclicBarrier(循环栅栏)

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。

CountDownLatch的实现是基于AQS的，而CyclicBarrier是基于 ReentrantLock(ReentrantLock也属于AQS同步器)和 Condition 的。

CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier 默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

再来看一下它的构造函数：

public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

其中，parties 就代表了有拦截的线程的数量，当拦截的线程数量达到这个值的时候就打开栅栏，让所有线程通过。

5.1 CyclicBarrier 的应用场景

CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。

比如我们用一个 Excel 保存了用户所有银行流水，每个 Sheet 保存一个帐户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个 sheet 里的银行流水，都执行完之后，得到每个 sheet 的日均银行流水，最后，再用 barrierAction 用这些线程的计算结果，计算出整个 Excel 的日均银行流水。

5.2 CyclicBarrier 的使用示例

示例 1：

public class CyclicBarrierExample2 {
  // 请求的数量
  private static final int threadCount = 550;
  // 需要同步的线程数量
  private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建线程池
    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
      final int threadNum = i;
      Thread.sleep(1000);
      threadPool.execute(() -> {
        try {
          test(threadNum);
        } catch (InterruptedException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        }
      });
    }
    threadPool.shutdown();
  }

  public static void test(int threadnum) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is ready");
    try {
      /**等待60秒，保证子线程完全执行结束*/
      cyclicBarrier.await(60, TimeUnit.SECONDS);
    } catch (Exception e) {
      System.out.println("-----CyclicBarrierException------");
    }
    System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is finish");
  }

}

运行结果，如下：

threadnum:0is ready
threadnum:1is ready
threadnum:2is ready
threadnum:3is ready
threadnum:4is ready
threadnum:4is finish
threadnum:0is finish
threadnum:1is finish
threadnum:2is finish
threadnum:3is finish
threadnum:5is ready
threadnum:6is ready
threadnum:7is ready
threadnum:8is ready
threadnum:9is ready
threadnum:9is finish
threadnum:5is finish
threadnum:8is finish
threadnum:7is finish
threadnum:6is finish
......

可以看到当线程数量也就是请求数量达到我们定义的 5 个的时候， await方法之后的方法才被执行。

另外，CyclicBarrier 还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下：

public class CyclicBarrierExample3 {
  // 请求的数量
  private static final int threadCount = 550;
  // 需要同步的线程数量
  private static final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
    System.out.println("------当线程数达到之后，优先执行------");
  });

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建线程池
    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
      final int threadNum = i;
      Thread.sleep(1000);
      threadPool.execute(() -> {
        try {
          test(threadNum);
        } catch (InterruptedException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        }
      });
    }
    threadPool.shutdown();
  }

  public static void test(int threadnum) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is ready");
    cyclicBarrier.await();
    System.out.println("threadnum:" + threadnum + "is finish");
  }

}

运行结果，如下：

threadnum:0is ready
threadnum:1is ready
threadnum:2is ready
threadnum:3is ready
threadnum:4is ready
------当线程数达到之后，优先执行------
threadnum:4is finish
threadnum:0is finish
threadnum:2is finish
threadnum:1is finish
threadnum:3is finish
threadnum:5is ready
threadnum:6is ready
threadnum:7is ready
threadnum:8is ready
threadnum:9is ready
------当线程数达到之后，优先执行------
threadnum:9is finish
threadnum:5is finish
threadnum:6is finish
threadnum:8is finish
threadnum:7is finish
......

5.3 CyclicBarrier源码分析

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // cannot happen
    }
}

dowait(false, 0L)：

// 当线程数量或者请求数量达到 count 时 await 之后的方法才会被执行。上面的示例中 count 的值就为 5。
private int count;
/**
 * Main barrier code, covering the various policies.
 */
private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
           TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 锁住
    lock.lock();
    try {
        final Generation g = generation;

        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();

        // 如果线程中断了，抛出异常
        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }
        // cout减1
        int index = --count;
        // 当 count 数量减为 0 之后说明最后一个线程已经到达栅栏了，也就是达到了可以执行await 方法之后的条件
        if (index == 0) {  // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null)
                    command.run();
                ranAction = true;
                // 将 count 重置为 parties 属性的初始化值
                // 唤醒之前等待的线程
                // 下一波执行开始
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }

        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
        for (;;) {
            try {
                if (!timed)
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    // We're about to finish waiting even if we had not
                    // been interrupted, so this interrupt is deemed to
                    // "belong" to subsequent execution.
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            if (g != generation)
                return index;

            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

总结：

5.4 CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别

下面这个是国外一个大佬的回答：

CountDownLatch 是计数器，只能使用一次，而 CyclicBarrier 的计数器提供 reset 功能，可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从 jdk 作者设计的目的来看，javadoc 是这么描述它们的：

CountDownLatch: A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.(CountDownLatch: 一个或者多个线程，等待其他多个线程完成某件事情之后才能执行；)
CyclicBarrier : A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.(CyclicBarrier : 多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再继续一起执行。)

补充

ReentrantReadWriteLock

synchronized 和 ReentrantLock 区别是什么？

重入锁 ReentrantLock 是 Lock 最常见的实现，与 synchronized 一样可重入，不过它增加了一些高级功能：

一般优先考虑使用 synchronized：

CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore共同之处与区别以及各自使用场景

三者的区别：

共同之处：

应用场景：

巨人的肩膀

https://blog.csdn.net/jackyechina/article/details/52931453
https://www.cnblogs.com/otis/p/12846552.html

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