一文看懂JUC之AQS機(jī)制

作者：佚名 2021-05-11 10:40:29

本文注重講解其不同衍生類的使用場景以及其內(nèi)部AQS的原理。

為了解決原子性的問題，Java加入了鎖機(jī)制，同時(shí)保證了可見性和順序性。JDK1.5的并發(fā)包中新增了Lock接口以及相關(guān)實(shí)現(xiàn)類來實(shí)現(xiàn)鎖功能，比synchronized更加靈活，開發(fā)者可根據(jù)實(shí)際的場景選擇相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)類。

本文注重講解其不同衍生類的使用場景以及其內(nèi)部AQS的原理。并發(fā)問題引入以及synchronized相關(guān)的知識請看上一篇文章一文看懂Java鎖機(jī)制。

Lock特性

可重入

像synchronized和ReentrantLock都是可重入鎖，可重入性表明了鎖的分配機(jī)制是基于線程的分配，而不是基于方法調(diào)用的分配。

舉個(gè)簡單的例子，當(dāng)一個(gè)線程已經(jīng)獲取到鎖，當(dāng)后續(xù)再獲取同一個(gè)鎖，直接獲取成功。但獲取鎖和釋放鎖必須要成對出現(xiàn)。

可響應(yīng)中斷

當(dāng)線程因?yàn)楂@取鎖而進(jìn)入阻塞狀態(tài)，外部是可以中斷該線程的，調(diào)用方通過捕獲InterruptedException可以捕獲中斷

可設(shè)置超時(shí)時(shí)間

獲取鎖時(shí)，可以指定超時(shí)時(shí)間，可以通過返回值來判斷是否成功獲取鎖

公平性

提供公平性鎖和非公平鎖（默認(rèn)）兩種選擇。

公平鎖，線程將按照他們發(fā)出請求的順序來獲取鎖，不允許插隊(duì)；
非公平鎖，則允許插隊(duì)：當(dāng)一個(gè)線程發(fā)生獲取鎖的請求的時(shí)刻，如果這個(gè)鎖是可用的，那這個(gè)線程將跳過所在隊(duì)列里等待線程并獲得鎖。

考慮這么一種情況：A線程持有鎖，B線程請求這個(gè)鎖，因此B線程被掛起；A線程釋放這個(gè)鎖時(shí)，B線程將被喚醒，因此再次嘗試獲取鎖；與此同時(shí)，C線程也請求獲取這個(gè)鎖，那么C線程很可能在B線程被完全喚醒之前獲得、使用以及釋放這個(gè)鎖。

這是種雙贏的局面，B獲取鎖的時(shí)刻（B被喚醒后才能獲取鎖）并沒有推遲，C更早地獲取了鎖，并且吞吐量也獲得了提高。在大多數(shù)情況下，非公平鎖的性能要高于公平鎖的性能。

另外，這個(gè)公平性是針對線程而言的，不能依賴此來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)上的公平性，應(yīng)該由開發(fā)者自己控制，比如通過FIFO隊(duì)列來保證公布。

讀寫鎖

允許讀鎖和寫鎖分離，讀鎖與寫鎖互斥，但是多個(gè)讀鎖可以共存，適用于讀頻次遠(yuǎn)大于寫頻次的場景

豐富的API

提供了多個(gè)方法來獲取鎖相關(guān)的信息，可以幫助開發(fā)者監(jiān)控和排查問題

isFair()：判斷鎖是否是公平鎖
isLocked()：判斷鎖是否被任何線程獲取了
isHeldByCurrentThread()：判斷鎖是否被當(dāng)前線程獲取了
hasQueuedThreads()：判斷是否有線程在等待該鎖
getHoldCount()：查詢當(dāng)前線程占有l(wèi)ock鎖的次數(shù)
getQueueLength()：獲取正在等待此鎖的線程數(shù)

鎖的使用

ReentrantLock

獨(dú)占鎖的實(shí)現(xiàn)，擁有上面列舉的除讀寫鎖之外的所有特性，使用比較簡單

class X {  
   // 創(chuàng)建獨(dú)占鎖實(shí)例  
   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
   // ...  
   public void m() {  
     lock.lock();  // block until condition holds  
     try {  
       // ... method body  
     } finally {  
       // 必須要釋放鎖，unlock與lock成對出現(xiàn)  
       lock.unlock()  
     } 
   }  
 }

ReentrantReadWriteLock

讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)，擁有上面列舉的所有特性。并且寫鎖可降級為讀鎖，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也是一種讀寫鎖，提供兩種讀模式：樂觀讀和悲觀讀。樂觀讀允許讀的過程中也可以獲取寫鎖后寫入！這樣一來，我們讀的數(shù)據(jù)就可能不一致，所以，需要一點(diǎn)額外的代碼來判斷讀的過程中是否有寫入。

樂觀鎖的意思就是樂觀地估計(jì)讀的過程中大概率不會(huì)有寫入，因此被稱為樂觀鎖。反過來，悲觀鎖則是讀的過程中拒絕有寫入，也就是寫入必須等待。顯然樂觀鎖的并發(fā)效率更高，但一旦有小概率的寫入導(dǎo)致讀取的數(shù)據(jù)不一致，需要能檢測出來，再讀一遍就行。

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(); // 獲取寫鎖  
        try {  
            x += deltaX;  
            y += deltaY;  
        } finally {  
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 釋放寫鎖  
        }  
    }  
    public double distanceFromOrigin() { 
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 獲得一個(gè)樂觀讀鎖  
        // 注意下面兩行代碼不是原子操作  
        // 假設(shè)x,y = (100,200)  
        double currentX = x;  
        // 此處已讀取到x=100，但x,y可能被寫線程修改為(300,400)  
        double currentY = y;  
        // 此處已讀取到y(tǒng)，如果沒有寫入，讀取是正確的(100,200)  
        // 如果有寫入，讀取是錯(cuò)誤的(100,400)  
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 檢查樂觀讀鎖后是否有其他寫鎖發(fā)生  
            stamp = stampedLock.readLock(); // 獲取一個(gè)悲觀讀鎖  
            try {  
                currentX = x;  
                currentY = y;  
            } finally {  
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 釋放悲觀讀鎖 
            }  
        }  
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);  
    }  
}

Condition

Condition成為條件隊(duì)列或條件變量，為一個(gè)線程掛起執(zhí)行（等待）提供了一種方法，直到另一線程通知某些狀態(tài)條件現(xiàn)在可能為真為止。由于對該共享狀態(tài)信息的訪問發(fā)生在不同的線程中，因此必須由互斥鎖對其其進(jìn)行保護(hù)。

await方法：必須在獲取鎖之后的調(diào)用，表示釋放當(dāng)前鎖，阻塞當(dāng)前線程；等待其他線程調(diào)用鎖的signal或signalAll方法，線程喚醒重新獲取鎖。

Lock配合Condition，可以實(shí)現(xiàn)synchronized 與對象（wait，notify）同樣的效果，來進(jìn)行線程間基于共享變量的通信。但優(yōu)勢在于同一個(gè)鎖可以由多個(gè)條件隊(duì)列，當(dāng)某個(gè)條件滿足時(shí)，只需要喚醒對應(yīng)的條件隊(duì)列即可，避免無效的競爭。

// 此類實(shí)現(xiàn)類似阻塞隊(duì)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阻塞隊(duì)列實(shí)際上是一個(gè)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型，當(dāng)隊(duì)列長度大于指定的最大值，生產(chǎn)線程就會(huì)被阻塞；反之當(dāng)隊(duì)列元素為空時(shí)，消費(fèi)線程就會(huì)被阻塞；同時(shí)當(dāng)消費(fèi)成功時(shí)，就會(huì)喚醒阻塞的生產(chǎn)者線程；生產(chǎn)成功就會(huì)喚醒消費(fèi)者線程；

內(nèi)部使用就是ReentrantLock + Condition來實(shí)現(xiàn)的，可以參照上面的示例。

CountDownLatch

稱之為倒計(jì)時(shí)器鎖，初始化指定數(shù)值，調(diào)用countDown可以對數(shù)值減一，當(dāng)數(shù)值減為0時(shí)，就會(huì)喚醒所有因?yàn)檎{(diào)用await方法而阻塞的線程。

可以達(dá)到一組線程等待另外一組線程都完成任務(wù)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

稱之為同步屏障，它使得一組線程互相等待，直到到達(dá)某個(gè)公共屏障點(diǎn)。

初始化指定數(shù)值，調(diào)用await方法會(huì)使得線程阻塞，直到指定數(shù)量的線程都調(diào)用await方法時(shí)，所有被阻塞的線程會(huì)被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。

與CountDownLatch的區(qū)別是，CountDownLatch是一組線程等待另外一組線程，而CyclicBarrier是一組線程之間相互等待。

Semaphore

稱之為信號量，與互斥鎖ReentrantLock用法類似，區(qū)別就是Semaphore共享的資源是多個(gè)，允許多個(gè)線程同時(shí)競爭成功。

AQS原理

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer的縮寫，中文抽象隊(duì)列同步器，是構(gòu)建各類鎖和同步器的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部維護(hù)了共享變量state （int類型）和雙向隊(duì)列（包含頭指針和尾指針）

并發(fā)問題解決

原子性

Unsafe.compareAndSwapXXX 實(shí)現(xiàn)CAS更改 state 和隊(duì)列指針內(nèi)部依賴CPU提供的原子指令

可見性與有序性

volatile 修飾 state 與隊(duì)列指針（prev/next/head/tail）

線程阻塞與喚醒

Unsafe.park Unsafe.parkNanos Unsafe.unpark

Unsafe類是在sun.misc包下，不屬于Java標(biāo)準(zhǔn)。提供了內(nèi)存管理、對象實(shí)例化、數(shù)組操作、CAS操作、線程掛起與恢復(fù)等功能，Unsafe類提升了Java運(yùn)行效率，增強(qiáng)了Java語言底層的操作能力。很多Java的基礎(chǔ)類庫，包括一些被廣泛使用的高性能開發(fā)庫都是基于Unsafe類開發(fā)的，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等

AQS內(nèi)部有兩種模式：獨(dú)占模式和共享模式

AQS 的設(shè)計(jì)是基于模板方法的，使用者需要繼承 AQS 并重寫指定的方法。不同的自定義同步器爭用共享資源的方式不同，比如可重入、公平性等都是子類來實(shí)現(xiàn)。

自定義同步器在實(shí)現(xiàn)時(shí)只需要實(shí)現(xiàn)共享資源state的獲取與釋放方式即可，至于具體線程等待隊(duì)列的維護(hù)（如獲取資源失敗入隊(duì)/喚醒出隊(duì)等），由AQS內(nèi)部處理。

獨(dú)占模式

只有一個(gè)線程都能夠獲取到鎖
鎖釋放后需要喚醒后繼節(jié)點(diǎn)

AQS提供的獨(dú)占模式相關(guān)的方法

// 獲取獨(dú)占鎖（線程阻塞直至獲取成功）  
public final void acquire(int)  
// 獲取獨(dú)占鎖，可被中斷  
public final void acquireInterruptibly(int)   
// 獲取獨(dú)占鎖，可被中斷 和 指定超時(shí)時(shí)間  
public final boolean tryAcquireNanos(int, long)   
// 釋放獨(dú)占鎖（釋放鎖后，將等待隊(duì)列中第一個(gè)等待節(jié)點(diǎn)喚醒 ）  
public final boolean release(int)

AQS子類需要實(shí)現(xiàn)的獨(dú)占模式相關(guān)的方法

// 嘗試獲取獨(dú)占鎖  
protected boolean tryAcquire(int)  
// 嘗試釋放獨(dú)占鎖  
protected boolean tryRelease(int)

獲取獨(dú)占鎖的流程

調(diào)用子類tryAcquire嘗試獲取鎖，獲取成功，直接返回
通過自旋CAS將當(dāng)前線程封裝成節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列末尾
循環(huán)等待或嘗試tryAcquire獲取鎖
- 判斷前置節(jié)點(diǎn)如果為head，則嘗試獲取鎖
- 根據(jù)隊(duì)列中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，決定是否需要阻塞當(dāng)前線程
- tryAcquire獲取鎖成功后，將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)置為head 并返回
如果當(dāng)前線程中斷或超時(shí)，則執(zhí)行cancelAcquire
- 將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)置為CANCELED，并從隊(duì)列刪除
- 如果前置節(jié)點(diǎn)為Head，則將后置節(jié)點(diǎn)喚醒

釋放獨(dú)占鎖的流程

共享模式

多個(gè)線程都能夠獲取到鎖
鎖釋放后需要喚醒后繼節(jié)點(diǎn)
鎖獲取后如果還有資源需要喚醒后繼共享節(jié)點(diǎn)

AQS提供的共享模式相關(guān)的方法

// 獲取共享鎖（線程阻塞直至獲取成功）  
public final void acquireShared(int)   
// 獲取共享鎖，可被中斷  
public final acquireSharedInterruptibly(int)   
// 獲取共享鎖，可被中斷 和 指定超時(shí)時(shí)間  
public final tryAcquireSharedNanos(int, long)    
// 獲取共享鎖  
public final boolean releaseShared(int)

AQS子類需要實(shí)現(xiàn)的共享模式相關(guān)的方法

// 嘗試獲取共享鎖  
protected int tryAcquireShared(int) 
// 嘗試釋放共享鎖  
protected boolean tryReleaseShared(int)

獲取共享鎖的流程

1.調(diào)用子類tryAcquireShared嘗試獲取鎖，獲取成功，直接返回

2.通過自旋CAS將當(dāng)前線程封裝成節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列末尾

3.循環(huán)等待或嘗試tryAcquireShared獲取鎖

判斷前置節(jié)點(diǎn)如果為head，則嘗試獲取鎖
根據(jù)隊(duì)列中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，決定是否需要阻塞當(dāng)前線程
tryAcquireShared獲取鎖成功后，將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)置為head
- 如果資源有剩余或者原先的head節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為SIGNAL/PROPAGATE，則調(diào)用doReleaseShared
- 如果當(dāng)前head節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為SIGNAL，喚醒后繼節(jié)點(diǎn)
- 如果當(dāng)前head節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為ZERO，將head節(jié)點(diǎn)狀態(tài)置為PROPAGATE
如果當(dāng)前線程中斷或超時(shí)，則執(zhí)行cancelAcquire
- 將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)置為CANCELED，并從隊(duì)列刪除
- 如果前置節(jié)點(diǎn)為Head，則將后置節(jié)點(diǎn)喚醒