AQS原理与自定义同步组件实现解析

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AQS 的核心原理是基于模板方法模式，通过维护 volatile int state 变量和 FIFO 队列实现同步机制。1. 它定义了 tryAcquire 和 tryRelease 等抽象方法供子类实现；2. 使用 CLH 队列管理等待线程，acquire() 和 release() 控制锁的获取与释放；3. 支持独占与共享两种模式，分别适用于 ReentrantLock 和 Semaphore 等场景；4. Condition 对象用于线程等待与通知，提升条件阻塞控制能力；5. 性能优化可通过减少 CAS 竞争、降低线程阻塞唤醒开销及优化队列操作实现。开发者继承 AQS 并实现其核心方法即可构建自定义同步组件。

AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 是 Java 并发包 java.util.concurrent 的核心基石。它提供了一个构建锁和同步器的框架，简化了锁的实现。简单来说，它通过维护一个 volatile int state 变量和一个 FIFO 队列来管理并发状态，并提供了一套原子性操作 state 变量的方法。

AQS 的核心原理是基于模板方法模式。它定义了同步器需要实现的抽象方法，例如 tryAcquire (尝试获取锁) 和 tryRelease (尝试释放锁)。开发者只需要继承 AQS 并实现这些方法，就可以构建自定义的同步组件。

解决方案

AQS 的运作可以分解为以下几个关键步骤：

1. 状态管理： AQS 维护一个 volatile int state 变量，代表同步状态。getState()、setState() 和 compareAndSetState() 方法提供了对状态的原子性操作。

2. CLH 队列： AQS 使用一个 FIFO 队列 (CLH 队列的变体) 来管理等待获取锁的线程。当一个线程尝试获取锁失败时，它会被加入到队列的尾部，并进入阻塞状态。

3. 获取锁： 线程调用 acquire(int arg) 方法尝试获取锁。acquire() 方法会调用 tryAcquire(int arg) 方法，该方法由子类实现，用于尝试获取锁。如果 tryAcquire() 成功，则 acquire() 方法返回；否则，线程会被加入到 CLH 队列中，并阻塞等待。

4. 释放锁： 线程调用 release(int arg) 方法释放锁。release() 方法会调用 tryRelease(int arg) 方法，该方法由子类实现，用于尝试释放锁。如果 tryRelease() 成功，则 release() 方法会唤醒 CLH 队列中的下一个线程。

5. 独占模式和共享模式： AQS 支持独占模式和共享模式。独占模式下，只有一个线程可以获取锁；共享模式下，多个线程可以同时获取锁。acquire() 和 release() 方法用于独占模式，acquireShared() 和 releaseShared() 方法用于共享模式。

AQS 的代码实现细节相当复杂，涉及到 CAS 操作、线程阻塞/唤醒等底层机制。理解这些细节有助于更深入地掌握 AQS 的原理。

自定义同步组件，需要继承 AQS，并重写以下方法：

• tryAcquire(int arg)：独占模式下尝试获取锁。
• tryRelease(int arg)：独占模式下尝试释放锁。
• tryAcquireShared(int arg)：共享模式下尝试获取锁。
• tryReleaseShared(int arg)：共享模式下尝试释放锁。
• isHeldExclusively()：当前同步器是否在独占模式下被线程占用。

如何选择合适的同步模式：独占还是共享？

选择独占模式还是共享模式取决于你的同步组件的用途。如果你的组件需要保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源，那么应该选择独占模式。例如，ReentrantLock 就是一个独占锁。如果你的组件允许多个线程同时访问共享资源，那么应该选择共享模式。例如，Semaphore 和 CountDownLatch 就是共享同步器。

例如，你想实现一个简单的读写锁，读锁是共享的，写锁是独占的。那么你可以基于 AQS 实现一个 ReadWriteLock 类，其中读锁使用 tryAcquireShared() 和 tryReleaseShared()，写锁使用 tryAcquire() 和 tryRelease()。

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class ReadWriteLock {

    private final Sync sync = new Sync();

    public void readLock() {
        sync.acquireShared(1);
    }

    public void readUnlock() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    public void writeLock() {
        sync.acquire(1);
    }

    public void writeUnlock() {
        sync.release(1);
    }

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        @Override
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            // 实现读锁的获取逻辑
            return super.tryAcquireShared(acquires);
        }

        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // 实现读锁的释放逻辑
            return super.tryReleaseShared(releases);
        }

        @Override
        protected boolean tryAcquire(int acquires) {
            // 实现写锁的获取逻辑
            return super.tryAcquire(acquires);
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            // 实现写锁的释放逻辑
            return super.tryRelease(releases);
        }
    }
}

上面的代码只是一个框架，你需要填充 tryAcquireShared、tryReleaseShared、tryAcquire 和 tryRelease 方法的具体实现。这涉及到维护读写状态，以及处理并发竞争。

AQS 中的 Condition 对象有什么作用？

Condition 对象是 AQS 的一个重要组成部分，它提供了一种线程等待/通知机制，类似于 Object.wait() 和 Object.notify() 方法。Condition 对象允许线程在获取锁之后，因为某些条件不满足而进入等待状态，并在条件满足时被唤醒。

每个 Condition 对象都关联着一个等待队列。当线程调用 Condition.await() 方法时，它会被加入到等待队列中，并释放持有的锁。当其他线程调用 Condition.signal() 或 Condition.signalAll() 方法时，等待队列中的线程会被唤醒，并尝试重新获取锁。

例如，在生产者-消费者模型中，可以使用 Condition 对象来实现缓冲区为空时消费者等待，缓冲区满时生产者等待的逻辑。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BoundedBuffer {

    final ReentrantLock 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();
        }
    }
}

在这个例子中，notFull 和 notEmpty 两个 Condition 对象分别用于控制生产者和消费者的等待和唤醒。

AQS 的性能瓶颈及优化策略

AQS 虽然强大，但并非完美。在高并发场景下，AQS 的性能可能会成为瓶颈。

• CAS 竞争： AQS 依赖于 CAS 操作来更新 state 变量。在高并发场景下，CAS 竞争可能会非常激烈，导致大量的重试，降低性能。

• 线程阻塞/唤醒： 线程的阻塞和唤醒涉及到用户态和内核态的切换，开销较大。频繁的线程阻塞/唤醒会影响性能。

• 队列操作： AQS 使用 CLH 队列来管理等待线程。队列的操作，例如入队和出队，也需要一定的开销。

针对这些瓶颈，可以采取以下优化策略：

• 减少 CAS 竞争： 可以通过使用更细粒度的锁，或者使用无锁数据结构来减少 CAS 竞争。

• 减少线程阻塞/唤醒： 可以通过使用自旋锁或者使用 CompletableFuture 等异步编程技术来减少线程阻塞/唤醒。

• 优化队列操作： 可以通过使用更高效的队列数据结构，或者使用批量操作来优化队列操作。

例如，Java 8 中引入的 StampedLock 就是一种优化的读写锁，它使用了乐观读和 CAS 操作来减少锁的竞争，从而提高性能。

本篇关于《AQS原理与自定义同步组件实现解析》的介绍就到此结束啦，但是学无止境，想要了解学习更多关于文章的相关知识，请关注golang学习网公众号！