一文看懂JUC之AQS机制

JAVA小咖秀

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 · 2021-05-20

责编:乐乐 | 来:VectorJin
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   正文   


为了解决原子性的问题,Java加入了锁机制,同时保证了可见性和顺序性。JDK1.5的并发包中新增了Lock接口以及相关实现类来实现锁功能,比synchronized更加灵活,开发者可根据实际的场景选择相应的实现类。

本文注重讲解其不同衍生类的使用场景以及其内部AQS的原理。并发问题引入以及synchronized相关的知识请看上一篇文章一文看懂Java锁机制。

Lock特性

可重入

像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性表明了锁的分配机制是基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。

举个简单的例子,当一个线程已经获取到锁,当后续再获取同一个锁,直接获取成功。但获取锁和释放锁必须要成对出现。

可响应中断

当线程因为获取锁而进入阻塞状态,外部是可以中断该线程的,调用方通过捕获InterruptedException可以捕获中断

可设置超时时间

获取锁时,可以指定超时时间,可以通过返回值来判断是否成功获取锁

公平性

提供公平性锁和非公平锁(默认)两种选择。

  • 公平锁,线程将按照他们发出请求的顺序来获取锁,不允许插队;

  • 非公平锁,则允许插队:当一个线程发生获取锁的请求的时刻,如果这个锁是可用的,那这个线程将跳过所在队列里等待线程并获得锁。

考虑这么一种情况:A线程持有锁,B线程请求这个锁,因此B线程被挂起;A线程释放这个锁时,B线程将被唤醒,因此再次尝试获取锁;与此同时,C线程也请求获取这个锁,那么C线程很可能在B线程被完全唤醒之前获得、使用以及释放这个锁。

这是种双赢的局面,B获取锁的时刻(B被唤醒后才能获取锁)并没有推迟,C更早地获取了锁,并且吞吐量也获得了提高。在大多数情况下,非公平锁的性能要高于公平锁的性能。

另外,这个公平性是针对线程而言的,不能依赖此来实现业务上的公平性,应该由开发者自己控制,比如通过FIFO队列来保证公布。

读写锁

允许读锁和写锁分离,读锁与写锁互斥,但是多个读锁可以共存,适用于读频次远大于写频次的场景

丰富的API

提供了多个方法来获取锁相关的信息,可以帮助开发者监控和排查问题

  • isFair():判断锁是否是公平锁
  • isLocked():判断锁是否被任何线程获取了
  • isHeldByCurrentThread():判断锁是否被当前线程获取了
  • hasQueuedThreads():判断是否有线程在等待该锁
  • getHoldCount():查询当前线程占有lock锁的次数
  • getQueueLength():获取正在等待此锁的线程数

锁的使用

ReentrantLock

独占锁的实现,拥有上面列举的除读写锁之外的所有特性,使用比较简单


 class X {   // 创建独占锁实例   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();   // ...
public void m() { lock.lock(); // block until condition holds try { // ... method body } finally { // 必须要释放锁,unlock与lock成对出现 lock.unlock() } } }


ReentrantReadWriteLock

读写锁的实现,拥有上面列举的所有特性。并且写锁可降级为读锁,反之不行。

class CachedData {   Object data;   volatile boolean cacheValid;   final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
void processCachedData() { rwl.readLock().lock(); if (!cacheValid) { // Must release read lock before acquiring write lock rwl.readLock().unlock(); rwl.writeLock().lock(); try { // Recheck state because another thread might have // acquired write lock and changed state before we did. if (!cacheValid) { data = ... cacheValid = true; } // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock rwl.readLock().lock(); } finally { rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read } }
try { use(data); } finally { rwl.readLock().unlock(); } } }

StampedLock

StampedLock也是一种读写锁,提供两种读模式:乐观读和悲观读。乐观读允许读的过程中也可以获取写锁后写入!这样一来,我们读的数据就可能不一致,所以,需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入。

乐观锁的意思就是乐观地估计读的过程中大概率不会有写入,因此被称为乐观锁。反过来,悲观锁则是读的过程中拒绝有写入,也就是写入必须等待。显然乐观锁的并发效率更高,但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致,需要能检测出来,再读一遍就行。

public class Point {    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
private double x; private double y;
public void move(double deltaX, double deltaY) { long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁 try { x += deltaX; y += deltaY; } finally { stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁 } }
public double distanceFromOrigin() { long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁 // 注意下面两行代码不是原子操作 // 假设x,y = (100,200) double currentX = x; // 此处已读取到x=100,但x,y可能被写线程修改为(300,400) double currentY = y; // 此处已读取到y,如果没有写入,读取是正确的(100,200) // 如果有写入,读取是错误的(100,400) if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生 stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁 try { currentX = x; currentY = y; } finally { stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁 } } return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY); }}

Condition

Condition成为条件队列或条件变量,为一个线程挂起执行(等待)提供了一种方法,直到另一线程通知某些状态条件现在可能为真为止。由于对该共享状态信息的访问发生在不同的线程中,因此必须由互斥锁对其其进行保护。

await方法:必须在获取锁之后的调用,表示释放当前锁,阻塞当前线程;等待其他线程调用锁的signal或signalAll方法,线程唤醒重新获取锁。

Lock配合Condition,可以实现synchronized 与 对象(wait,notify)同样的效果,来进行线程间基于共享变量的通信。但优势在于同一个锁可以由多个条件队列,当某个条件满足时,只需要唤醒对应的条件队列即可,避免无效的竞争。

// 此类实现类似阻塞队列(ArrayBlockingQueue)class BoundedBuffer { final Lock lock = new ReentrantLock(); final Condition notFull  = lock.newCondition();  final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 
final Object[] items = new Object[100]; int putptr, takeptr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == items.length) notFull.await(); items[putptr] = x; if (++putptr == items.length) putptr = 0; ++count; notEmpty.signal(); } finally { lock.unlock(); } }
public Object take() throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); Object x = items[takeptr]; if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; --count; notFull.signal(); return x; } finally { lock.unlock(); } }}

BlockingQueue

BlockingQueue阻塞队列实际上是一个生产者/消费者模型,当队列长度大于指定的最大值,生产线程就会被阻塞;反之当队列元素为空时,消费线程就会被阻塞;同时当消费成功时,就会唤醒阻塞的生产者线程;生产成功就会唤醒消费者线程;

内部使用就是ReentrantLock + Condition来实现的,可以参照上面的示例。

CountDownLatch

称之为倒计时器锁,初始化指定数值,调用countDown可以对数值减一,当数值减为0时,就会唤醒所有因为调用await方法而阻塞的线程。

可以达到一组线程等待另外一组线程都完成任务的效果。

class Driver { // ...   void main() throws InterruptedException {     CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);     CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);
for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();
doSomethingElse(); // don't let run yet startSignal.countDown(); // let all threads proceed doSomethingElse(); doneSignal.await(); // wait for all to finish }}
class Worker implements Runnable { private final CountDownLatch startSignal; private final CountDownLatch doneSignal; Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) { this.startSignal = startSignal; this.doneSignal = doneSignal; } public void run() { try { startSignal.await(); doWork(); doneSignal.countDown(); } catch (InterruptedException ex) {} // return; }
void doWork() { ... }}

CyclicBarrier

称之为同步屏障,它使得一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点。

初始化指定数值,调用await方法会使得线程阻塞,直到指定数量的线程都调用await方法时,所有被阻塞的线程会被唤醒,继续执行。

与CountDownLatch的区别是,CountDownLatch是一组线程等待另外一组线程,而CyclicBarrier是一组线程之间相互等待。

Semaphore

称之为信号量,与互斥锁ReentrantLock用法类似,区别就是Semaphore共享的资源是多个,允许多个线程同时竞争成功。

AQS原理

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer的缩写,中文 抽象队列同步器,是构建各类锁和同步器的基础实现。内部维护了共享变量state (int类型) 和 双向队列 (包含头指针和尾指针)

并发问题解决

原子性

Unsafe.compareAndSwapXXX 实现CAS更改 state 和 队列指针 内部依赖CPU提供的原子指令

可见性与有序性

volatile 修饰 state 与 队列指针 (prev/next/head/tail)

线程阻塞与唤醒

Unsafe.park Unsafe.parkNanos Unsafe.unpark

Unsafe类是在sun.misc包下,不属于Java标准。提供了内存管理、对象实例化、数组操作、CAS操作、线程挂起与恢复等功能,Unsafe类提升了Java运行效率,增强了Java语言底层的操作能力。很多Java的基础类库,包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的,比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等

AQS内部有两种模式:独占模式和共享模式

AQS 的设计是基于模板方法的,使用者需要继承 AQS 并重写指定的方法。不同的自定义同步器争用共享资源的方式不同,比如可重入、公平性等都是子类来实现。

自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),由AQS内部处理。

独占模式

  • 只有一个线程都能够获取到锁

  • 锁释放后需要唤醒后继节点

  • 搜索公众号后端架构师后台回复“架构整洁”,获取一份惊喜礼包。

AQS提供的独占模式相关的方法

// 获取独占锁(线程阻塞直至获取成功)public final void acquire(int)// 获取独占锁,可被中断public final void acquireInterruptibly(int) // 获取独占锁,可被中断 和 指定超时时间public final boolean tryAcquireNanos(int, long) // 释放独占锁(释放锁后,将等待队列中第一个等待节点唤醒 )public final boolean release(int)

AQS子类需要实现的独占模式相关的方法

// 尝试获取独占锁protected boolean tryAcquire(int)// 尝试释放独占锁protected boolean tryRelease(int)

获取独占锁的流程

  • 调用子类tryAcquire尝试获取锁,获取成功,直接返回
  • 通过自旋CAS将当前线程封装成节点加入队列末尾
  • 循环等待或尝试tryAcquire获取锁
    • 判断前置节点如果为head,则尝试获取锁
    • 根据队列中节点状态,决定是否需要阻塞当前线程
    • tryAcquire获取锁成功后,将当前节点设置为head 并 返回
  • 如果当前线程中断或超时,则执行cancelAcquire
    • 将当前节点状态置为CANCELED,并从队列删除
    • 如果前置节点为Head,则将后置节点唤醒

释放独占锁的流程

共享模式

  • 多个线程都能够获取到锁

  • 锁释放后需要唤醒后继节点

  • 锁获取后如果还有资源需要唤醒后继共享节点

AQS提供的共享模式相关的方法

// 获取共享锁(线程阻塞直至获取成功)public final void acquireShared(int) // 获取共享锁,可被中断public final acquireSharedInterruptibly(int) // 获取共享锁,可被中断 和 指定超时时间public final tryAcquireSharedNanos(int, long)  // 获取共享锁public final boolean releaseShared(int)

AQS子类需要实现的共享模式相关的方法

// 尝试获取共享锁protected int tryAcquireShared(int)// 尝试释放共享锁protected boolean tryReleaseShared(int)

获取共享锁的流程

1.调用子类tryAcquireShared尝试获取锁,获取成功,直接返回

2.通过自旋CAS将当前线程封装成节点加入队列末尾

3.循环等待或尝试tryAcquireShared获取锁

  • 判断前置节点如果为head,则尝试获取锁
  • 根据队列中节点状态,决定是否需要阻塞当前线程
  • tryAcquireShared获取锁成功后,将当前节点设置为head
    • 如果资源有剩余或者原先的head节点状态为SIGNAL/PROPAGATE,则调用doReleaseShared
    • 如果当前head节点状态为SIGNAL,唤醒后继节点
    • 如果当前head节点状态为ZERO,将head节点状态置为PROPAGATE
  • 如果当前线程中断或超时,则执行cancelAcquire
    • 将当前节点状态置为CANCELED,并从队列删除
    • 如果前置节点为Head,则将后置节点唤醒

释放共享锁的流程

等待队列中节点的状态变化

ReentrantLock示例

tryAcquire逻辑

tryRelease逻辑


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 注意,不要乱回复 

没错,不是机器人
记得一定要等待,等待才有好东西


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