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juc-aqs

2023/9/20

# 1 AQS AbstractQueuedSynchronizer 队列同步器

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中的一个重要的同步框架，它提供了一种基础框架来实现各种类型的同步器，如锁、信号量、倒计时门闩等。AQS是Java并发包（java.util.concurrent）的核心组件之一，它用于支持构建自定义的同步工具和数据结构。

AQS的核心思想是使用一个FIFO（先进先出）的等待队列来管理线程的竞争和等待。

AQS内部维护了一个状态变量，线程在尝试获取锁或执行某个操作时，首先会尝试修改这个状态，如果修改成功（比如从0修改为1），则表示线程获得了锁或操作权限；如果修改失败，则线程会被加入到等待队列中，等待状态变为满足某个条件时再次尝试获取锁或操作权限。

AQS的两个主要子类是ReentrantLock（可重入锁）和CountDownLatch（倒计时门闩）。ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，而CountDownLatch是一个同步工具，它允许一个或多个线程等待其他线程完成一组操作。

自定义同步器时，通常需要继承AbstractQueuedSynchronizer并实现以下两个主要方法：

  1. tryAcquire：尝试获取锁或执行某个操作的逻辑。如果返回true，表示操作成功；如果返回false，表示操作失败，线程会被加入到等待队列中。
  2. tryRelease：尝试释放锁或完成某个操作的逻辑。这个方法通常用于释放资源并唤醒等待队列中的线程。

AQS的设计使得实现各种自定义的同步器变得相对容易，开发者可以根据具体的需求来编写自己的tryAcquire和tryRelease方法，从而构建出高性能的同步工具。

总之，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中的一个核心组件，用于支持构建自定义的同步工具和数据结构，它通过等待队列和状态变量的方式实现了多线程的协作和同步。

# 2 优势

AQS 解决了在实现同步器时涉及当的大量细节问题，例如获取同步状态、FIFO 同步队列。基于 AQS 来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。

在基于 AQS 构建的同步器中，只能在一个时刻发生阻塞，从而降低上下文切换的开销，提高了吞吐量。同时在设计 AQS 时充分考虑了可伸缩性，因此 J.U.C 中，所有基于 AQS 构建的同步器均可以获得这个优势。

# 3 同步状态

AQS 的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器，并实现它的抽象方法来管理同步状态。

AQS 使用一个 int 类型的成员变量 state 来表示同步状态：

  • 当 state > 0 时，表示已经获取了锁。
  • 当 state = 0 时，表示释放了锁。

它提供了三个方法，来对同步状态 state 进行操作，并且 AQS 可以确保对 state 的操作是安全的：

  • #getState()
  • #setState(int newState)
  • #compareAndSetState(int expect, int update)

# 4 同步队列

AQS 通过内置的 FIFO 同步队列来完成资源获取线程的排队工作：

  • 如果当前线程获取同步状态失败（锁）时，AQS 则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程
  • 当同步状态释放时，则会把节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

# 5. 主要内置方法

AQS 主要提供了如下方法：

  • #getState()：返回同步状态的当前值。
  • #setState(int newState)：设置当前同步状态。
  • #compareAndSetState(int expect, int update)：使用 CAS 设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。
  • 【可重写】#tryAcquire(int arg)：独占式获取同步状态，获取同步状态成功后，其他线程需要等待该线程释放同步状态才能获取同步状态。
  • 【可重写】#tryRelease(int arg)：独占式释放同步状态。
  • 【可重写】#tryAcquireShared(int arg)：共享式获取同步状态，返回值大于等于 0 ，则表示获取成功；否则，获取失败。
  • 【可重写】#tryReleaseShared(int arg)：共享式释放同步状态。
  • 【可重写】#isHeldExclusively()：当前同步器是否在独占式模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程所独占。
  • acquire(int arg)：独占式获取同步状态。如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回；否则，将会进入同步队列等待。该方法将会调用可重写的 #tryAcquire(int arg) 方法；
  • #acquireInterruptibly(int arg)：与 #acquire(int arg) 相同，但是该方法响应中断。当前线程为获取到同步状态而进入到同步队列中，如果当前线程被中断，则该方法会抛出InterruptedException 异常并返回。
  • #tryAcquireNanos(int arg, long nanos)：超时获取同步状态。如果当前线程在 nanos 时间内没有获取到同步状态，那么将会返回 false ，已经获取则返回 true 。
  • #acquireShared(int arg)：共享式获取同步状态，如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与独占式的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态；
  • #acquireSharedInterruptibly(int arg)：共享式获取同步状态，响应中断。
  • #tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：共享式获取同步状态，增加超时限制。
  • #release(int arg)：独占式释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒。
  • #releaseShared(int arg)：共享式释放同步状态。

从上面的方法看下来，基本上可以分成 3 类：

  • 独占式获取与释放同步状态
  • 共享式获取与释放同步状态
  • 查询同步队列中的等待线程情况

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