队列同步器AQS原理分析及具体实现

2023-11-13

Java中的并发编程很多都是以队列同步器AbstractQueuedSynchronizer为基础的，例如ReentrantLock,CountDownLatch等。

下面介绍其构成以及相应的实现。

构成

private volatile int state;

AbstractQueuedSynchronizer中通过一个int类型的成员变量state来表示同步状态，该变量使用volatile来修饰，保证多线程之间的可见性。

以及一个内置的队列来完成资源排队。

其中对于state有如下几个操作方法：

getState() 获取同步状态
setState() 设置同步状态
compareAndSetState() 使用CAS设置同步状态，该方法能保证状态设置的原子性

具体原理

同步器依赖内部的一个双向队列来完成同步状态的管理。该队列遵循先入先出的原则。

当线程获取同步状态失败时，同步器会执行以下步骤：

构造一个节点Node，该节点包含当前线程、当前线程的等待状态、前驱节点引用、后驱节点引用等信息
将该节点加入到队列当中（加入到队列的尾结点）
阻塞该线程

当释放同步状态时，只会将首节点的线程唤醒，使其尝试获取同步状态。

同步器中包含了指向头结点和尾结点的应用head, tail, 这两个节点作用分别如下：

首节点是获取同步状态成功的节点，首节点的线程在释放同步状态时，会唤醒后继节点，当后继节点成功获取到同步状态时，就会将自己设置为首节点，以此类推。
因为新加入的节点都会放在尾节点，所以为了线程安全，提供了一个利用CAS设置尾结点的方法compareAndSetTail()。

同步状态获取

同步状态获取的方式分为两种：

独占式获取同步状态，在同一时刻只能有一个线程能获取到同步状态，其他线程都将会被阻塞，例如文件的写操作。对应acquire()方法
共享式获取同步状态，在同一时刻允许有多个线程获取到同步状态，例如文件的读操作。对应acquireShared()方法

下图是同步器独占式获取同步状态的流程图。

ReentrantLock

可重入锁。支持一个线程对资源的重复加锁。

同时，该锁还支持是否公平的获取锁。注意，synchronized支持的锁也是可重入的，因为它会在对象头存储获取锁的线程ID。

几个问题：

ReentrantLock是如何实现可重入的呢？

首先ReentrantLock组合了同步器AbstractQueuedSynchronizer来实现锁的功能。其中state在ReentrantLock用来表示线程获取锁的次数，当线程获取锁时：

需要判断当前线程是否是获取锁的线程，如果是则将state值加1，并返回获取锁成功的标识，这样就能保证可重入。

锁是如何释放的？

答案是仍然使用state来进行释放。当调用unlock()释放锁时，同步器会将state的值减1，只有当state的值为0时，才能返回锁释放成功的标识。

公平锁时如何实现的？

ReentrantLock默认是非公平锁，在获取锁时，只要使用CAS设置同步状态成功，那么就表示该线程就获取锁成功。

对于公平锁，在获取同步状态时， 还需要判断同步队列中当前节点是否有前驱节点，如果有，则说明有更早的线程在等待获取锁，则当前线程需要加入到等待队列的尾结点，等待之前所有线程获取节点成功并释放之后才能尝试获取锁。

ReentrantReadWriteLock

可重入的读写锁。维护了一个读锁和一个写锁。其中读锁是共享锁，同一时刻可以有多个线程拥有，写锁是排他锁，同一时刻只能有一个写锁。

其也是组合AbstractQueuedSynchronizer来实现的。具体如何实现的呢？

关键也是state变量的设计， 将state变量按位拆成2部分，高16位表示读状态，低16位表示写状态，在进行读锁和写锁的操作时，和ReentrantLock类似，对这两个状态进行加减运算。

写锁获取流程：

如果当前线程已经获取了写锁，则增加写状态，并返回获取写锁成功的标识。此处保证了可重入
如果有其他线程获取了读锁或写锁，则当前线程进入等待状态，等待其他线程的写锁和读锁全部释放完毕，再去尝试获取。此处保证了排他性。

读锁获取流程：

如果有其他线程获取了写锁，则当前线程进入等待状态。
如果没有其他线程获取了写锁，读锁总是能保证成功获取。特别的，如果当前线程已经获取了读锁，则增加读状态（保证可重入性），并返回获取读锁成功的标识。

CountDownLatch

某个任务的执行，需要等到多个线程都执行完毕之后才可以进行。该场景可以使用CountDownLatch来实现。

其也是组合AbstractQueuedSynchronizer来实现的。关键是state的设计。state被用来表示需要等待的线程个数。

在CountDownLatch中，主要涉及到如下三个方法：

构造函数中count参数，指定需要等待的线程个数，也就是state变量
countDown()方法，每调用一次，state减1
await()方法，等待，只有当state等于0时，才会从该方法处返回，否则会一直阻塞。

注意， countDown()方法最好写在finally中，防止发生死锁。因为如果在调用countDown()之前程序发生了异常，导致该方法没有执行，那么state变量就永远不可能为0，此时调用await()方法的线程则会永远阻塞在该处。

或者使用await(long timeout, TimeUnit unit)，加入超时参数，当达到超时时间自动返回。

参考资料：

为0，此时调用await()方法的线程则会永远阻塞在该处。

或者使用await(long timeout, TimeUnit unit)，加入超时参数，当达到超时时间自动返回。

参考资料：

《Java并发编程的艺术》

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