一文看懂JUC之AQS机制

作者：VectorJin

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为了解决原子性的问题，Java加入了锁机制，同时保证了可见性和顺序性。JDK1.5的并发包中新增了Lock接口以及相关实现类来实现锁功能，比synchronized更加灵活，开发者可根据实际的场景选择相应的实现类。

本文注重讲解其不同衍生类的使用场景以及其内部AQS的原理。并发问题引入以及synchronized相关的知识请看上一篇文章一文看懂Java锁机制。

Lock特性

可重入

像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性表明了锁的分配机制是基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。

举个简单的例子，当一个线程已经获取到锁，当后续再获取同一个锁，直接获取成功。但获取锁和释放锁必须要成对出现。

可响应中断

当线程因为获取锁而进入阻塞状态，外部是可以中断该线程的，调用方通过捕获InterruptedException可以捕获中断

可设置超时时间

获取锁时，可以指定超时时间，可以通过返回值来判断是否成功获取锁

公平性

提供公平性锁和非公平锁（默认）两种选择。

公平锁，线程将按照他们发出请求的顺序来获取锁，不允许插队；
非公平锁，则允许插队：当一个线程发生获取锁的请求的时刻，如果这个锁是可用的，那这个线程将跳过所在队列里等待线程并获得锁。

考虑这么一种情况：A线程持有锁，B线程请求这个锁，因此B线程被挂起；A线程释放这个锁时，B线程将被唤醒，因此再次尝试获取锁；与此同时，C线程也请求获取这个锁，那么C线程很可能在B线程被完全唤醒之前获得、使用以及释放这个锁。

这是种双赢的局面，B获取锁的时刻（B被唤醒后才能获取锁）并没有推迟，C更早地获取了锁，并且吞吐量也获得了提高。在大多数情况下，非公平锁的性能要高于公平锁的性能。

另外，这个公平性是针对线程而言的，不能依赖此来实现业务上的公平性，应该由开发者自己控制，比如通过FIFO队列来保证公布。

读写锁

允许读锁和写锁分离，读锁与写锁互斥，但是多个读锁可以共存，适用于读频次远大于写频次的场景

丰富的API

提供了多个方法来获取锁相关的信息，可以帮助开发者监控和排查问题

isFair()：判断锁是否是公平锁
isLocked()：判断锁是否被任何线程获取了
isHeldByCurrentThread()：判断锁是否被当前线程获取了
hasQueuedThreads()：判断是否有线程在等待该锁
getHoldCount()：查询当前线程占有lock锁的次数
getQueueLength()：获取正在等待此锁的线程数

锁的使用

ReentrantLock

独占锁的实现，拥有上面列举的除读写锁之外的所有特性，使用比较简单

class X {// 创建独占锁实例private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// ...public void m() {lock.lock();  // block until condition holdstry {// ... method body} finally {// 必须要释放锁，unlock与lock成对出现lock.unlock()}}}

ReentrantReadWriteLock

读写锁的实现，拥有上面列举的所有特性。并且写锁可降级为读锁，反之不行。

class CachedData {Object data;volatile boolean cacheValid;final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();void processCachedData() {rwl.readLock().lock();if (!cacheValid) {// Must release read lock before acquiring write lockrwl.readLock().unlock();rwl.writeLock().lock();try {// Recheck state because another thread might have// acquired write lock and changed state before we did.if (!cacheValid) {data = ...cacheValid = true;}// Downgrade by acquiring read lock before releasing write lockrwl.readLock().lock();} finally {rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read}}try {use(data);} finally {rwl.readLock().unlock();}}}

StampedLock

StampedLock也是一种读写锁，提供两种读模式：乐观读和悲观读。乐观读允许读的过程中也可以获取写锁后写入！这样一来，我们读的数据就可能不一致，所以，需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入。

乐观锁的意思就是乐观地估计读的过程中大概率不会有写入，因此被称为乐观锁。反过来，悲观锁则是读的过程中拒绝有写入，也就是写入必须等待。显然乐观锁的并发效率更高，但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致，需要能检测出来，再读一遍就行。

public class Point {private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();private double x;private double y;public void move(double deltaX, double deltaY) {long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁try {x += deltaX;y += deltaY;} finally {stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁}}public double distanceFromOrigin() {long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁// 注意下面两行代码不是原子操作// 假设x,y = (100,200)double currentX = x;// 此处已读取到x=100，但x,y可能被写线程修改为(300,400)double currentY = y;// 此处已读取到y，如果没有写入，读取是正确的(100,200)// 如果有写入，读取是错误的(100,400)if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁try {currentX = x;currentY = y;} finally {stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁}}return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);}
}

Condition

Condition成为条件队列或条件变量，为一个线程挂起执行（等待）提供了一种方法，直到另一线程通知某些状态条件现在可能为真为止。由于对该共享状态信息的访问发生在不同的线程中，因此必须由互斥锁对其其进行保护。

await方法：必须在获取锁之后的调用，表示释放当前锁，阻塞当前线程；等待其他线程调用锁的signal或signalAll方法，线程唤醒重新获取锁。

Lock配合Condition，可以实现synchronized 与对象（wait，notify）同样的效果，来进行线程间基于共享变量的通信。但优势在于同一个锁可以由多个条件队列，当某个条件满足时，只需要唤醒对应的条件队列即可，避免无效的竞争。

// 此类实现类似阻塞队列（ArrayBlockingQueue）
class BoundedBuffer {final Lock 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();}}
}

BlockingQueue

BlockingQueue阻塞队列实际上是一个生产者/消费者模型，当队列长度大于指定的最大值，生产线程就会被阻塞；反之当队列元素为空时，消费线程就会被阻塞；同时当消费成功时，就会唤醒阻塞的生产者线程；生产成功就会唤醒消费者线程；

内部使用就是ReentrantLock + Condition来实现的，可以参照上面的示例。

CountDownLatch

称之为倒计时器锁，初始化指定数值，调用countDown可以对数值减一，当数值减为0时，就会唤醒所有因为调用await方法而阻塞的线程。

可以达到一组线程等待另外一组线程都完成任务的效果。

class Driver { // ...void main() throws InterruptedException {CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1);CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threadsnew Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start();doSomethingElse();            // don't let run yetstartSignal.countDown();      // let all threads proceeddoSomethingElse();doneSignal.await();           // wait for all to finish}
}class Worker implements Runnable {private final CountDownLatch startSignal;private final CountDownLatch doneSignal;Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) {this.startSignal = startSignal;this.doneSignal = doneSignal;}public void run() {try {startSignal.await();doWork();doneSignal.countDown();} catch (InterruptedException ex) {} // return;}void doWork() { ... }
}

CyclicBarrier

称之为同步屏障，它使得一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点。

初始化指定数值，调用await方法会使得线程阻塞，直到指定数量的线程都调用await方法时，所有被阻塞的线程会被唤醒，继续执行。

与CountDownLatch的区别是，CountDownLatch是一组线程等待另外一组线程，而CyclicBarrier是一组线程之间相互等待。

Semaphore

称之为信号量，与互斥锁ReentrantLock用法类似，区别就是Semaphore共享的资源是多个，允许多个线程同时竞争成功。

AQS原理

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer的缩写，中文抽象队列同步器，是构建各类锁和同步器的基础实现。内部维护了共享变量state （int类型）和双向队列（包含头指针和尾指针）

并发问题解决

原子性

Unsafe.compareAndSwapXXX 实现CAS更改 state 和队列指针内部依赖CPU提供的原子指令

可见性与有序性

volatile 修饰 state 与队列指针（prev/next/head/tail）

线程阻塞与唤醒

Unsafe.park Unsafe.parkNanos Unsafe.unpark

Unsafe类是在sun.misc包下，不属于Java标准。提供了内存管理、对象实例化、数组操作、CAS操作、线程挂起与恢复等功能，Unsafe类提升了Java运行效率，增强了Java语言底层的操作能力。很多Java的基础类库，包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等

AQS内部有两种模式：独占模式和共享模式

AQS 的设计是基于模板方法的，使用者需要继承 AQS 并重写指定的方法。不同的自定义同步器争用共享资源的方式不同，比如可重入、公平性等都是子类来实现。

自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），由AQS内部处理。

独占模式

只有一个线程都能够获取到锁
锁释放后需要唤醒后继节点

AQS提供的独占模式相关的方法

// 获取独占锁（线程阻塞直至获取成功）
public final void acquire(int)
// 获取独占锁，可被中断
public final void acquireInterruptibly(int)
// 获取独占锁，可被中断 和 指定超时时间
public final boolean tryAcquireNanos(int, long)
// 释放独占锁（释放锁后，将等待队列中第一个等待节点唤醒 ）
public final boolean release(int)

AQS子类需要实现的独占模式相关的方法

// 尝试获取独占锁
protected boolean tryAcquire(int)
// 尝试释放独占锁
protected boolean tryRelease(int)

获取独占锁的流程

调用子类tryAcquire尝试获取锁，获取成功，直接返回
通过自旋CAS将当前线程封装成节点加入队列末尾
循环等待或尝试tryAcquire获取锁
- 判断前置节点如果为head，则尝试获取锁
- 根据队列中节点状态，决定是否需要阻塞当前线程
- tryAcquire获取锁成功后，将当前节点设置为head 并返回
如果当前线程中断或超时，则执行cancelAcquire
- 将当前节点状态置为CANCELED，并从队列删除
- 如果前置节点为Head，则将后置节点唤醒

释放独占锁的流程

共享模式

多个线程都能够获取到锁
锁释放后需要唤醒后继节点
锁获取后如果还有资源需要唤醒后继共享节点

AQS提供的共享模式相关的方法

// 获取共享锁（线程阻塞直至获取成功）
public final void acquireShared(int)
// 获取共享锁，可被中断
public final acquireSharedInterruptibly(int)
// 获取共享锁，可被中断 和 指定超时时间
public final tryAcquireSharedNanos(int, long)
// 获取共享锁
public final boolean releaseShared(int)

AQS子类需要实现的共享模式相关的方法

// 尝试获取共享锁
protected int tryAcquireShared(int)
// 尝试释放共享锁
protected boolean tryReleaseShared(int)

获取共享锁的流程

1.调用子类tryAcquireShared尝试获取锁，获取成功，直接返回

2.通过自旋CAS将当前线程封装成节点加入队列末尾

3.循环等待或尝试tryAcquireShared获取锁

判断前置节点如果为head，则尝试获取锁
根据队列中节点状态，决定是否需要阻塞当前线程
tryAcquireShared获取锁成功后，将当前节点设置为head
- 如果资源有剩余或者原先的head节点状态为SIGNAL/PROPAGATE，则调用doReleaseShared
- 如果当前head节点状态为SIGNAL，唤醒后继节点
- 如果当前head节点状态为ZERO，将head节点状态置为PROPAGATE
如果当前线程中断或超时，则执行cancelAcquire
- 将当前节点状态置为CANCELED，并从队列删除
- 如果前置节点为Head，则将后置节点唤醒

释放共享锁的流程

等待队列中节点的状态变化

ReentrantLock示例

tryAcquire逻辑

tryRelease逻辑