【线程、锁】什么是AQS(锁分类：自旋锁、共享锁、独占锁、读写锁)

2023-08-09 18:02| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 1. 什么是AQS1.1 锁分类1.2 具体实现 2. AQS底层使用了模板方法模式3. AQS的简单应用参考

1. 什么是AQS

AQS：全称为AbstractQuenedSynchronizer，抽象的队列式同步器，是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制，这个类在java.util.concurrent.locks包。

AQS的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并将共享资源设置为锁定状态，如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CLH（Craig，Landin，and Hagersten）队列是一个虚拟的双向队列，虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系。

AQS是将每一条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配。

用大白话来说，AQS就是基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。

注意：AQS是自旋锁：在等待唤醒的时候，经常会使用自旋（while(!cas())）的方式，不停地尝试获取锁，直到被其他线程获取成功

1.1 锁分类

注意和数据库中的锁概念要区分开

实现了AQS的锁有：自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏都是AQS的衍生物。这些类内部持有一个AbstractQuenedSynchronizer的实例，通过该实例，实现共享、独占等特性。

自旋锁：是锁底层的实现的划分，AbstractQuenedSynchronizer的子类都是自旋锁，通过反复尝试进行修改，加入等待逻辑，实际上避免了强制加锁；与此相对的是 Synchronized，强制加锁！

互斥锁：同一时间，只有一个线程能访问某个资源

ReentrantLock和Synchronized、都是互斥锁

共享锁：允许2个以上的线程同时访问。当然根据不同的场景，可以划分为多个不同的实现，信号量、栅栏，都是共享锁

读写锁：与互斥锁不同的是读写锁的规则是可以共享读，但只能一个写。涵盖了互斥锁和共享锁

总结起来为：读读不互斥，读写互斥，写写互斥，而一般的独占锁是：读读互斥，读写互斥，写写互斥，而场景中往往读远远大于写，读写锁就是为了这种优化而创建出来的一种机制。

当场景中往往读远远大于写，效率很高，因为不用频繁加锁，2个读之间可以像没有锁那样！

注意是读远远大于写，一般情况下独占锁的效率低来源于高并发下对临界区的激烈竞争导致线程上下文切换。因此当并发不是很高的情况下，读写锁由于需要额外维护读锁的状态，可能还不如独占锁的效率高。因此需要根据实际情况选择使用。

ReentrantReadWriteLock就是读写锁

参考为什么需要读写锁？

1.2 具体实现

AQS实现的具体方式如下：在这里插入图片描述

如图示，AQS维护了一个volatile int state成员变量和一个FIFO线程等待队列成员变量，多线程争用资源被阻塞的时候就会进入这个队列。

state就是共享资源，其访问方式有如下三种：getState();setState();compareAndSetState();

AQS 定义了两种资源共享方式：

1.Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock2.Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier

不同的自定义的同步器争用共享资源的方式也不同。

2. AQS底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）

将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。

自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

ReentrantLock为例，（可重入独占式锁）：state初始化为0，表示未锁定状态，A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占锁并将state+1.之后其他线程再想tryAcquire的时候就会失败，直到A线程unlock（）到state=0为止，其他线程才有机会获取该锁。A释放锁之前，自己也是可以重复获取此锁（state累加），这就是可重入的概念。

注意：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state是能回到零态的。

以CountDownLatch为例，任务分N个子线程去执行，state就初始化为N，N个线程并行执行，每个线程执行完之后countDown（）一次，state就会CAS减一。当N子线程全部执行完毕，state=0，会unpark()主调用线程，主调用线程就会从await()函数返回，继续之后的动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

在acquire() acquireShared()两种方式下，线程在等待队列中都是忽略中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()是支持响应中断的。

3. AQS的简单应用

Mutex：不可重入互斥锁，锁资源（state）只有两种状态：0：未被锁定；1：锁定。

下面是AbstractQueuedSynchronizer抽象类的注释中的用法，自定义一个锁实现：

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable { // 自定义同步器 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 判断是否锁定状态 protected boolean isHeldExclusively() { return getState() == 1; } // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。 public boolean tryAcquire(int acquires) { assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量 if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！ setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源 return true; } return false; } // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。 protected boolean tryRelease(int releases) { assert releases == 1; // 限定为1个量 if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！ throw new IllegalMonitorStateException(); setExclusiveOwnerThread(null); setState(0);//释放资源，放弃占有状态 return true; } } // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！ private final Sync sync = new Sync(); //lockacquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。 public void lock() { sync.acquire(1); } //tryLocktryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。 public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); } //unlockrelease。两者语文一样：释放资源。 public void unlock() { sync.release(1); } //锁是否占有状态 public boolean isLocked() { return sync.isHeldExclusively(); } }

自定义类拥有一个Sync 类型的成员变量private final Sync sync = new Sync();，Sync 是AQS类的子类，实现了一些特定方法，这些方法定义了锁的具体策略。

同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，供自己使用；而同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。

参考

AQS详解

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