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深入理解AQS：Java并发编程中的核心组件

news 文章来源：https://blog.csdn.net/fudaihb/article/details/139751764 2024/10/25 22:25:32

AQS简介
AQS的设计思路
AQS的核心组成部分
- 状态（State）
- 同步队列（Sync Queue）
- 条件队列（Condition Queue）
AQS的内部实现
- 节点（Node）
- 锁的获取与释放
  - 独占锁
  - 共享锁
- 条件变量
AQS的应用案例
- ReentrantLock
- CountDownLatch
- Semaphore
总结
参考文献

AQS简介

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包（java.util.concurrent）中用于构建锁和同步器的基础框架。AQS通过一个FIFO（First In First Out）等待队列来管理获取锁的线程，提供了独占模式和共享模式两种同步方式。

AQS的设计目标是简化开发人员在实现自定义同步器时的复杂性。通过继承AQS并实现其抽象方法，开发人员可以轻松创建功能强大的同步器。

AQS的设计思路

AQS的设计基于两个关键思想：

状态管理：使用一个volatile类型的整数变量来表示同步状态，通过CAS操作（Compare And Swap）来更新状态。
队列管理：使用一个FIFO队列来管理等待获取锁的线程。

这种设计方式使得AQS既能保证线程的安全性，又能提供高效的性能。

AQS的核心组成部分

状态（State）

AQS通过一个整数变量来表示同步状态。这个变量可以表示不同的含义，例如：

对于独占锁，0表示未锁定，1表示已锁定。
对于共享锁，可以表示当前可用的资源数量。

状态变量通过volatile关键字修饰，确保其在多个线程之间的可见性。

同步队列（Sync Queue）

同步队列是一个FIFO队列，当线程无法获取锁时，它们会被加入到该队列中。队列中的每个节点都表示一个等待的线程。

条件队列（Condition Queue）

条件队列用于管理那些调用了条件变量的await方法后进入等待状态的线程。条件队列与同步队列类似，都是FIFO队列。

AQS的内部实现

节点（Node）

AQS的队列是由Node节点组成的。每个Node节点包含以下几个重要字段：

thread：表示当前节点所代表的线程。
nextWaiter：用于条件队列，指向下一个等待的节点。
waitStatus：表示节点的等待状态。

Node节点的等待状态包括：

CANCELLED：节点已取消。
SIGNAL：节点需要唤醒。
CONDITION：节点在条件队列中等待。
PROPAGATE：下一个acquireShared需要无条件传播。

锁的获取与释放

独占锁

独占锁意味着一次只能有一个线程持有锁。独占锁的获取与释放通过以下方法实现：

acquire(int arg)：尝试获取独占锁，如果失败则加入同步队列。
release(int arg)：释放独占锁，成功后唤醒同步队列中的下一个节点。

独占锁的获取逻辑主要通过tryAcquire方法实现，开发人员需要重写该方法来定义锁的获取规则。

共享锁

共享锁允许多个线程同时持有锁。共享锁的获取与释放通过以下方法实现：

acquireShared(int arg)：尝试获取共享锁，如果失败则加入同步队列。
releaseShared(int arg)：释放共享锁，成功后唤醒同步队列中的下一个节点。

共享锁的获取逻辑主要通过tryAcquireShared方法实现，开发人员需要重写该方法来定义锁的获取规则。

条件变量

AQS还提供了条件变量的支持，通过ConditionObject类来实现。条件变量的核心方法包括：

await()：当前线程进入等待状态，加入条件队列。
signal()：唤醒条件队列中的一个节点。
signalAll()：唤醒条件队列中的所有节点。

条件变量的实现依赖于Node节点的CONDITION状态。当线程调用await方法时，节点会被加入到条件队列，并将其状态设置为CONDITION。

AQS的应用案例

ReentrantLock

ReentrantLock是一种可重入的独占锁，它通过继承AQS并实现其抽象方法来实现锁的功能。主要包括以下几个步骤：

实现tryAcquire方法：定义独占锁的获取逻辑。
实现tryRelease方法：定义独占锁的释放逻辑。
使用同步队列来管理等待的线程。

CountDownLatch

CountDownLatch是一种同步工具类，它允许一个或多个线程等待直到其他线程执行完毕。它也基于AQS实现，主要包括以下步骤：

实现tryAcquireShared方法：定义共享锁的获取逻辑。
实现tryReleaseShared方法：定义共享锁的释放逻辑。
使用一个计数器来表示需要等待的线程数量。

Semaphore

Semaphore是一种计数信号量，它允许多个线程访问一定数量的共享资源。它的实现步骤与CountDownLatch类似：

实现tryAcquireShared方法：定义共享锁的获取逻辑。
实现tryReleaseShared方法：定义共享锁的释放逻辑。

总结

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包中的核心组件，为实现锁和其他同步器提供了基础框架。通过管理同步状态和等待队列，AQS能够高效地处理多线程并发问题。开发人员可以通过继承AQS并实现其抽象方法，轻松创建自定义的同步器。

本文详细介绍了AQS的概念、设计思路、核心组成部分及其内部实现机制，并通过ReentrantLock、CountDownLatch和Semaphore的案例展示了AQS在实际应用中的使用方法。理解AQS的工作原理对于掌握Java并发编程至关重要。

参考文献

Doug Lea, “A Scalable Synchronization Mechanism for Java”
Java Concurrency in Practice
Java官方文档
Java并发编程的艺术

通过本文的详细讲解，希望读者能够深入理解AQS的工作原理，并能够在实际编程中灵活运用这一强大的工具。

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