一文看懂JUC之AQS机制

开发 后端
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。

 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 

  1. class X {  
  2.    // 创建独占锁实例  
  3.    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
  4.    // ...  
  5.    public void m() {  
  6.      lock.lock();  // block until condition holds  
  7.      try {  
  8.        // ... method body  
  9.      } finally {  
  10.        // 必须要释放锁,unlock与lock成对出现  
  11.        lock.unlock()  
  12.      } 
  13.    }  
  14.  } 

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。 

  1. class CachedData {  
  2.    Object data;  
  3.    volatile boolean cacheValid;  
  4.    final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();  
  5.    void processCachedData() {  
  6.      rwl.readLock().lock();  
  7.      if (!cacheValid) {  
  8.        // Must release read lock before acquiring write lock  
  9.        rwl.readLock().unlock();  
  10.        rwl.writeLock().lock(); 
  11.         try {  
  12.          // Recheck state because another thread might have  
  13.          // acquired write lock and changed state before we did.  
  14.          if (!cacheValid) {  
  15.            data = ...  
  16.            cacheValid = true 
  17.          }  
  18.          // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock  
  19.          rwl.readLock().lock();  
  20.        } finally { 
  21.          rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read  
  22.        }  
  23.      }  
  24.      try {  
  25.        use(data);  
  26.      } finally {  
  27.        rwl.readLock().unlock();  
  28.      }  
  29.    }  
  30.  } 

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。 

  1. public class Point {  
  2.     private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();  
  3.     private double x;  
  4.     private double y; 
  5.     public void move(double deltaX, double deltaY) {  
  6.         long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁  
  7.         try {  
  8.             x += deltaX;  
  9.             y += deltaY;  
  10.         } finally {  
  11.             stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁  
  12.         }  
  13.     }  
  14.     public double distanceFromOrigin() { 
  15.         long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁  
  16.         // 注意下面两行代码不是原子操作  
  17.         // 假设x,y = (100,200)  
  18.         double currentX = x 
  19.         // 此处已读取到x=100,但x,y可能被写线程修改为(300,400)  
  20.         double currentY = y 
  21.         // 此处已读取到y,如果没有写入,读取是正确的(100,200)  
  22.         // 如果有写入,读取是错误的(100,400)  
  23.         if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生  
  24.             stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁  
  25.             try {  
  26.                 currentX = x 
  27.                 currentY = y 
  28.             } finally {  
  29.                 stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁 
  30.             }  
  31.         }  
  32.         return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);  
  33.     }  

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。 

  1. // 此类实现类似阻塞队列(ArrayBlockingQueue)  
  2. class BoundedBuffer {  
  3.  final Lock lock = new ReentrantLock();  
  4.  final Condition notFull  = lock.newCondition();   
  5.  final Condition notEmpty = lock.newCondition();   
  6.  final Object[] items = new Object[100];  
  7.  int putptr, takeptr, count;  
  8.  public void put(Object x) throws InterruptedException {  
  9.    lock.lock();  
  10.    try {  
  11.      while (count == items.length)  
  12.        notFull.await();  
  13.      items[putptr] = x;  
  14.      if (++putptr == items.length) putptr = 0 
  15.      ++count;  
  16.      notEmpty.signal();  
  17.    } finally {  
  18.      lock.unlock();  
  19.    }  
  20.  }  
  21.  public Object take() throws InterruptedException {  
  22.    lock.lock();  
  23.    try {  
  24.      while (count == 0)  
  25.        notEmpty.await();  
  26.      Object x = items[takeptr];  
  27.      if (++takeptr == items.length) takeptr = 0 
  28.      --count;  
  29.      notFull.signal();  
  30.      return x;  
  31.    } finally {  
  32.      lock.unlock();  
  33.    }  
  34.  }  

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。 

  1. class Driver { // ...  
  2.    void main() throws InterruptedException { 
  3.      CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);  
  4.      CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);  
  5.      for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads  
  6.        new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();  
  7.      doSomethingElse();            // don't let run yet  
  8.      startSignal.countDown();      // let all threads proceed  
  9.      doSomethingElse();  
  10.      doneSignal.await();           // wait for all to finish  
  11.    }  
  12.  
  13. class Worker implements Runnable {  
  14.    private final CountDownLatch startSignal;  
  15.    private final CountDownLatch doneSignal;  
  16.    Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {  
  17.      this.startSignal = startSignal;  
  18.      this.doneSignal = doneSignal;  
  19.    }  
  20.    public void run() {  
  21.      try {  
  22.        startSignal.await();  
  23.        doWork();  
  24.        doneSignal.countDown(); 
  25.      } catch (InterruptedException ex) {} // return;  
  26.    }  
  27.    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

AQS提供的独占模式相关的方法 

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

AQS子类需要实现的独占模式相关的方法 

  1. // 尝试获取独占锁  
  2. protected boolean tryAcquire(int)  
  3. // 尝试释放独占锁  
  4. 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 

  1. // 获取共享锁(线程阻塞直至获取成功)  
  2. public final void acquireShared(int)   
  3. // 获取共享锁,可被中断  
  4. public final acquireSharedInterruptibly(int)   
  5. // 获取共享锁,可被中断 和 指定超时时间  
  6. public final tryAcquireSharedNanos(int, long)    
  7. // 获取共享锁  
  8. public final boolean releaseShared(int)  

AQS子类需要实现的共享模式相关的方法 

  1. // 尝试获取共享锁  
  2. protected int tryAcquireShared(int) 
  3. // 尝试释放共享锁  
  4. 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

 

 

责任编辑:庞桂玉 来源: Java知音
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