【JUC并发 | 第八篇】AQS的底层原理

目录AQSAQS 概念AQS的底层原理差异ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore重写了AQS的哪几个关键函数【JUC并发 | 第七篇】简析Future 和 CompletableFuture类https://blog.csdn.net/h52412224/article/details/159078192【JUC并发 | 第六篇】深入理解线程池https://blog.csdn.net/h52412224/article/details/159043558?spm1001.2014.3001.5502【JUC并发 | 第五篇】JMM内存模型 和 volatile关键字https://blog.csdn.net/h52412224/article/details/158500731?spm1001.2014.3001.5502【JUC并发 | 第四篇】多线程 和 死锁https://blog.csdn.net/h52412224/article/details/158421988?spm1001.2014.3001.5502AQSAQS 概念本质是底层框架地基Java 并发包中几乎所有同步工具都基于 AQS 实现。并发工具模式state 含义ReentrantLock独占0 未锁定0 锁定次数可重入CountDownLatch共享计数器值减到 0 时唤醒所有线程Semaphore共享可用许可数ReentrantReadWriteLock读写分离高 16 位 读锁数低 16 位 写锁数AQS是AbstractQueuedSynchronizer的缩写即抽象队列同步器是 Java 并发包concurrent基础组件。AQS 不是直接给开发者使用的而是一个模板类—— 封装了90%的通用核心逻辑开发者只需继承 AQS 并实现少量抽象方法就能快速实现自定义重写的同步器。AQS的底层原理一、AQS底层原理核心AQS 的底层原理可概括为基于“状态管理 队列调度 自旋/阻塞”核心是通过原子性的同步状态控制、CLH 双向队列的线程排队机制、线程阻塞/唤醒解决了多线程竞争同步资源的问题同时支持独占/共享两种核心模式。二、底层核心模型1.同步状态state存储通过private volatile int state变量存储同步状态volatile保证状态的可见性避免多线程缓存不一致问题修改通过 CAS 操作compareAndSetState()修改 state保证状态修改的原子性避免并发修改冲突扩展AQS 只定义 state 的存储和修改方式具体含义由子类决定如 ReentrantLock 中 state0 表示无锁0 表示重入次数。2.CLH 双向等待队列虚拟队列这是 AQS 最核心的底层结构解决“线程竞争失败后如何排队”的问题节点Node队列的基本单元封装了核心信息static final class Node { volatile Thread thread; // 排队的线程 volatile Node prev; // 前驱节点 volatile Node next; // 后继节点 volatile int waitStatus; // 节点状态如 SIGNAL、CANCELLED 等 Node nextWaiter; // 条件队列的后继节点 }SIGNAL(-1)当前节点的后继节点处于阻塞状态当前节点释放资源后需唤醒后继节点CANCELLED(1)节点因超时/中断被取消不再参与竞争WAITING(-2)节点在条件队列中等待。队列结构双向链表包含head头节点已获取资源的“空节点”和tail尾节点最后一个等待节点线程竞争失败时通过 CAS 方式从尾部入队保证入队的原子性。3.线程的阻塞与唤醒AQS 依赖LockSupport.park()/unpark()实现线程的阻塞和唤醒优势是可以精准唤醒指定线程且不受线程状态影响park()阻塞当前线程释放 CPU 资源线程进入WAITING状态unpark(Thread t)唤醒指定线程让其重新参与资源竞争。4.核心模式独占 共享AQS 定义了两种资源竞争模式底层流程略有差异独占模式如 ReentrantLock同一时刻只有一个线程能获取资源核心方法tryAcquire(int arg)子类实现尝试独占获取资源成功返回 true失败返回 falseacquire(int arg)AQS 模板方法调用tryAcquire失败则入队并阻塞release(int arg)释放资源唤醒队列头节点的后继节点。共享模式如 Semaphore、CountDownLatch多个线程可同时获取资源核心方法tryAcquireShared(int arg)尝试共享获取资源返回正数表示成功0 表示成功但无剩余资源负数表示失败acquireShared(int arg)失败则入队阻塞releaseShared(int arg)释放资源唤醒所有等待的共享线程。三、AQS核心流程以独占模式为例以 ReentrantLock 的加锁/解锁为例拆解底层执行流程加锁acquire(1)线程调用tryAcquire(1)尝试通过 CAS 修改 state0→1成功则获取锁失败则创建 Node 节点通过 CAS 方式将节点加入队列尾部入队后会先找到自己的前驱节点将前驱节点的waitStatus设置为SIGNAL(-1)检查当前节点的前驱节点是否为 head若是则再次尝试tryAcquire自旋优化减少阻塞自旋失败则调用LockSupport.park()阻塞当前线程等待被唤醒。解锁release(1)线程调用tryRelease(1)修改 state1→0释放锁找到 head 节点若其状态为 SIGNAL则唤醒 head 的后继节点被唤醒的线程重新执行tryAcquire成功则成为新的 head 节点失败则重新将前驱节点的waitStatus设为SIGNAL继续阻塞。总结AQS 的底层原理核心是“状态管理 队列调度 线程阻塞/唤醒”具体可分为三点同步状态通过 volatile 修饰的 int 型 state 变量管理资源状态CAS 保证状态修改的原子性volatile 保证可见性state 的具体含义由子类定义等待队列竞争失败的线程会被封装成 Node 节点加入 CLH 双向等待队列CAS 尾插法保证入队原子性队列节点包含线程、等待状态、前后驱引用等信息线程调度依赖 LockSupport.park()/unpark() 实现线程阻塞和唤醒以独占模式为例线程尝试 CAS 获取资源修改 state失败则入队自旋自旋失败则阻塞释放资源时修改 state唤醒队列头节点的后继节点被唤醒的线程重新竞争资源。此外AQS 基于模板方法模式子类只需实现 tryAcquire/tryRelease 等核心方法就能自定义同步规则同时支持独占ReentrantLock和共享Semaphore两种模式这也是它能成为并发包核心的原因。差异ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore重写了AQS的哪几个关键函数核心前提AQS 定义了两类核心抽象方法子类需根据“独占/共享模式”选择性实现模式核心获取方法核心释放方法返回值/含义独占模式tryAcquire(int arg)tryRelease(int arg)获取返回 boolean成功/失败释放返回 boolean是否完全释放共享模式tryAcquireShared(int arg)tryReleaseShared(int arg)获取返回 int≥0 成功0 失败释放返回 boolean是否需要唤醒后续线程ReentrantLock 是独占模式CountDownLatch/Semaphore 是共享模式因此重写的方法完全不同一、ReentrantLock独占模式ReentrantLock 内部分FairSync公平锁和NonfairSync非公平锁均继承 AQS核心重写 2 个独占模式方法1. 核心重写方法tryAcquire(int arg)作用尝试独占获取锁arg 通常为 1表示获取 1 把锁非公平版实现逻辑protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current Thread.currentThread(); int c getState(); // 1. 无锁状态CAS 修改 state1标记当前线程为锁持有者 if (c 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 2. 重入逻辑当前线程已持有锁state 累加重入次数1 else if (current getExclusiveOwnerThread()) { int nextc c acquires; if (nextc 0) throw new Error(Maximum lock count exceeded); setState(nextc); return true; } // 3. 锁被其他线程持有返回 false return false; }公平版差异仅多一步hasQueuedPredecessors()检查队列有等待线程则直接返回 false避免插队。2. 核心重写方法tryRelease(int arg)作用尝试独占释放锁arg 通常为 1表示释放 1 次实现逻辑protected final boolean tryRelease(int releases) { // 1. state 递减重入锁需多次释放 int c getState() - releases; // 2. 校验只有锁持有者能释放 if (Thread.currentThread() ! getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free false; // 3. 只有 state0 时才算完全释放锁清空持有者 if (c 0) { free true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; }二、CountDownLatch共享模式CountDownLatch 内部只有Sync类无公平/非公平之分继承 AQS核心重写 2 个共享模式方法1. 核心重写方法tryAcquireShared(int arg)作用尝试共享获取判断计数器是否为 0arg 无实际意义实现逻辑protected int tryAcquireShared(int acquires) { // 核心逻辑state0 时返回 1获取成功否则返回 -1失败入队阻塞 return (getState() 0) ? 1 : -1; }关键调用await()时底层会循环执行此方法直到 state0 才返回成功。2. 核心重写方法tryReleaseShared(int arg)作用尝试共享释放计数器减 1arg 通常为 1实现逻辑protected boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { // 自旋 CAS 保证原子性 int c getState(); // 1. 计数器已为 0无需释放 if (c 0) return false; // 2. 计数器减 1 int nextc c - 1; // 3. CAS 修改 state成功则返回 true唤醒等待线程 if (compareAndSetState(c, nextc)) { return nextc 0; // 只有减到 0 时才返回 true触发唤醒 } } }关键调用countDown()时执行此方法只有计数器减到 0 时才返回 trueAQS 才会唤醒所有等待的线程。三、Semaphore共享模式Semaphore 内部分FairSync公平和NonfairSync非公平继承 AQS核心重写 2 个共享模式方法1. 核心重写方法tryAcquireShared(int arg)作用尝试共享获取许可arg 表示要获取的许可数非公平版实现逻辑protected int tryAcquireShared(int acquires) { return nonfairTryAcquireShared(acquires); } final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 自旋 CAS int available getState(); int remaining available - acquires; // 1. 剩余许可≥0 则 CAS 修改 state返回剩余许可数≥0 成功 // 2. 剩余许可0 直接返回负数失败 if (remaining 0 || compareAndSetState(available, remaining)) { return remaining; } } }公平版差异多一步hasQueuedPredecessors()检查队列有等待线程则返回 -1避免插队。2. 核心重写方法tryReleaseShared(int arg)作用尝试共享释放许可arg 表示要释放的许可数实现逻辑protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { // 自旋 CAS 保证原子性 int current getState(); int next current releases; // 边界检查避免许可数溢出 if (next current) throw new Error(Maximum permit count exceeded); // CAS 修改 state 成功则返回 true唤醒等待线程 if (compareAndSetState(current, next)) { return true; } } }总结ReentrantLock独占模式重写tryAcquire(int arg)实现独占抢锁重入逻辑、tryRelease(int arg)实现锁释放state 减到 0 才算完全释放CountDownLatch共享模式重写tryAcquireShared(int arg)判断 state0 则获取成功、tryReleaseShared(int arg)CAS 减少 state减到 0 时返回 true 唤醒线程Semaphore共享模式重写tryAcquireShared(int arg)CAS 减少 state 获取许可公平版检查队列、tryReleaseShared(int arg)CAS 增加 state 释放许可成功则唤醒等待线程核心差异独占模式重写 boolean 类型返回的 tryAcquire/tryRelease共享模式重写 int/boolean 类型返回的 tryAcquireShared/tryReleaseShared。上述内容也同步在我的飞书欢迎访问https://my.feishu.cn/wiki/QLauws6lWif1pnkhB8IcAvkhncc?fromfrom_copylink如果我的内容对你有帮助请点赞评论收藏。创作不易你们的支持就是我坚持下去的动力