【JUC2022】第七章 AQS、ReentrantReadWriteLock 和 StampedLock

【JUC2022】第七章 AQS

一、AQS

1.概述

AQS(AbstractQueueSynchronizer，抽象的队列式同步器)，它提供了一个基于 FIFO 队列，可以用于构建锁或者其他相关同步器的基础框架，许多同步类的实现都依赖于它，比如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch

AQS 实现了 3 点基本功能：

• 同步器基本范式、结构
• 线程的阻塞、唤醒机制
• 线程阻塞队列的维护

我们来看一下 java.util.concurrent.locks 的类关系图

上图中，Lock 的实现类其实都是构建在 AQS 上的，但为何没用 UML 线表示它们之间的关系呢？这是因为每个 Lock 实现类都持有自己内部类 Sync 的实例，而这个 Sync 才是继承自 AQS 的。那为何要实现不同的 Sync 呢？这是因为不同的 Lock 的用途不同

2.同步器

多线程环境下，线程之间可以通过某种状态来同步，比如只有当状态满足某种条件，才能触发线程执行某种操作，能实现这个特性的可以称之为同步器

AQS 里有一个最关键的属性 private volatile int state，可以理解将它为资源数量的抽象。AQS 提供了 getState 和 setState 方法，还有一个线程安全的 compareAndSetState 方法，它利用了 Unsafe 的 CAS 操作，可以做到在并发场景下对 state 进行原子性的修改，并且可以获得修改结果。正式因为这个特性，可以使用 AQS 构建同步器

3.抽象的

AQS 是一个抽象类，需要被子类继承并且重写其中的一些方法，官方对此做了一些说明：AQS 的子类必须重写那些会更改 state 的 protected 方法，以及定义 state 的何种状态意味着需要阻塞。比如，如果要实现一个锁，则 state 可以定义为：0 表示未锁定，1 表示锁定。如果要实现信号量，state 可以表示资源甚于

为此，AQS 提供了以下方法：

• tryAcquire(int): 试图在独占模式下获取对象的状态
• tryRelaease(int): 试图设置状态来反映独占模式下的释放
• tryAcquireShared(int): 试图在共享模式下获取对象的状态
• tryRelaease(int): 试图设置状态来反映共享模式下的释放
• isHeldExclusively(): 如果对于当前线程，同步是以独占方式进行的，则返回 true

4.队列式

AQS 将阻塞队列线程封装到了一个内部类 Node 里，并维护了一个 CLH Node FIFO 队列。CLH 队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说，往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证原子性，实现无锁且快速的修改操作

以 ReentrantLock 的加锁过程为例：

1. 尝试加锁
2. 加锁失败，线程加入队列
3. 线程入队后进入阻塞状态

二、ReentrantReadWriteLock

1.概述

读写锁定义为：一个资源能够被多个读线程访问，或者被一个写线程访问，并且读写线程不能同时访问

在读多写少的场景下，读写锁具有较高的性能体现

2.案例

package com.sisyphus.ReentrantReadWriteLock;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;class MyResource{Map<String, String> map = new HashMap<>();Lock lock = new ReentrantLock();ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();public void write(String key, String value){rwLock.writeLock().lock();try{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "正在写入");map.put(key, value);try{TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "完成写入" + value);}finally {rwLock.writeLock().unlock();}}public void read(String key){rwLock.readLock().lock();try{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "正在读取");String result = map.get(key);try{TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "完成读取" + result);}finally {rwLock.readLock().unlock();}}
}public class ReentrantReadWriteLockDemo {public static void main(String[] args) {MyResource myResource = new MyResource();for(int i = 0; i < 10; i++){int finalI = i;new Thread(()->{myResource.write(finalI + "", finalI + "");},String.valueOf(i)).start();}for(int i = 0; i < 10; i++){int finalI = i;new Thread(()->{myResource.read(finalI + "");},String.valueOf(i)).start();}for(int i = 0; i < 3; i++){int finalI = i;new Thread(()->{myResource.write(finalI + "", finalI + "");},"新写线程" + String.valueOf(i)).start();}}
}

3.存在的问题

写线程饥饿

当读锁被获取时，写锁无法获取，必须等待读锁释放。如果读线程太多，那么写线程将一直被阻塞，使用“公平锁”可以一定程度上缓解这个问题，但是“公平锁”是以牺牲系统吞吐量为代价的

锁降级

锁的颗粒度减小叫锁升级，锁的颗粒度增大叫锁降级。遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级为读锁。但是无法从读锁升级为写锁，这也是会造成写线程饥饿的原因

三、StampedLock

1.概述

StampedLock 是 JDK1.8 中新增的一个读写锁，是对 JDK1.5 中的 ReentrantReadWriteLock 的优化

StampedLock 有一个重要属性 long stamp，代表了锁的状态。所有获取锁的方法，都会返回一个 stamp，stamp 为 0表示失败；所有释放锁的方法，都需要传入一个 stamp，并且这个 stamp 必须是和成功获取锁得到的 stamp 一致

StampLock 是不可重入的，如果一个线程已经持有了写锁，再去获取写锁将会导致死锁

StampLock 有三种访问模式：

• Reading（悲观读模式）：功能和 ReentrantReadWriteLock 的读锁类似
• Writeing（写模式）：功能和 ReentrantReadWriteLock 的写锁类似
• Optimistic reading（乐观读模式）：无锁机制，支持读写并发，先乐观地认为读取时没人修改，判断被修改再升级为悲观读模式

2.案例

package com.sisyphus.StampedLockDemo;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;public class StampedLockDemo {static int number = 1;static StampedLock stampedLock = new StampedLock();public void write(){long stamp = stampedLock.writeLock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "写线程准备修改");try{number = number + 1;}finally {stampedLock.unlock(stamp);}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "写线程结束修改");}//悲观读public void read(){long stamp = stampedLock.readLock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "come in readLock codeBlock lock, 4 seconds continue ...");for (int i = 0; i < 4; i++){try{TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "正在读取中……");}try{int result = number;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "获得成员变量值result：" + result);System.out.println("写线程没有修改成功，读锁未释放，写锁无法接入，传统的读写互斥");}finally {stampedLock.unlockRead(stamp);}}//乐观读public void tryOptimisticRead(){long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();int result = number;//故意间隔 4 秒钟，乐观认为读取过程中没有其他线程修改过 number 值System.out.println("4 秒前 stampedLock.validate 方法值（true无修改，false有修改）" + "\t" + stampedLock.validate(stamp));for(int i = 0; i < 4; i++){try{TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "正在读取..." + i + " 秒后 stampedLock.validate 方法值（true无修改，false有修改）" + stampedLock.validate(stamp));}if(!stampedLock.validate(stamp)){System.out.println("有人修改过-----有写操作");stamp = stampedLock.readLock();try{System.out.println("从乐观读升级为悲观读");result = number;System.out.println("重新悲观读后 result：" + result);}finally {stampedLock.unlockRead(stamp);}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + " finally value：" + result);}public static void main(String[] args) {StampedLockDemo resource = new StampedLockDemo();/*传统版new Thread(()->{resource.read();},"readThread").start();try{TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "-----come in");resource.write();},"writeThread").start();try{TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "number:" + number);*/new Thread(()->{resource.tryOptimisticRead();},"readThread").start();//暂停 2 秒钟，演示读过程可以介入写操作try{TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "-----come in");resource.write();},"writeThread").start();}
}

3.存在的问题

• StampedLock 不支持重入
• StampedLock 的悲观读锁和写锁都不支持条件变量 Condition