AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 概述

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AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 概述

AQS，即 AbstractQueuedSynchronizer，是 Java 并发包中的一个核心组件，它为实现依赖于先进先出 (FIFO) 等待队列的阻塞锁和相关的同步器（如信号量、事件等）提供了一个框架。

核心概念

AQS 使用一个整型的 volatile 变量（称为 state）来表示同步状态，并通过内置的 FIFO 队列来管理那些阻塞在同步状态上的线程。

状态（State）

AQS 中的 state 变量是用来表示同步状态的。例如，在一个独占锁的实现中，state 可能表示锁的占用情况（0 表示未锁定，1 表示锁定）。

节点（Node）和队列

当线程尝试获取同步状态失败时，AQS 会将该线程包装成一个节点（Node）并将其加入到队列中。这个队列是一个双向链表，用于实现等待队列。

AQS 的主要方法

AQS 定义了一系列的方法，这些方法可以被同步器实现以提供其独特的同步逻辑。

独占模式

  • boolean tryAcquire(int arg)：尝试获取资源，成功则返回 true，失败则返回 false。
  • boolean tryRelease(int arg)：尝试释放资源，成功则返回 true，失败则返回 false。

共享模式

  • int tryAcquireShared(int arg)：尝试获取资源。返回值大于等于 0 表示成功；小于 0 表示失败。
  • boolean tryReleaseShared(int arg)：尝试释放资源，成功则返回 true，失败则返回 false。

模板方法

  • void acquire(int arg)：调用 tryAcquire，并在失败时将线程加入队列，可能会阻塞。
  • void release(int arg)：调用 tryRelease 并唤醒等待中的线程。
  • void acquireShared(int arg)：调用 tryAcquireShared，并在失败时将线程加入队列，可能会阻塞。
  • void releaseShared(int arg)：调用 tryReleaseShared 并唤醒等待中的线程。

AQS 的重要性

AQS 的设计极大地简化了同步控制的实现，许多并发工具类都是基于 AQS 构建的，例如：

  • ReentrantLock：一个可重入的互斥锁。
  • CountDownLatch：一个允许一个或多个线程等待一系列指定操作的完成。
  • Semaphore：一个计数信号量。
  • FutureTask：一个可取消的异步计算。

AQS 的使用示例

以下是一个简化的 AQS 使用示例，展示了如何实现一个独占锁：

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class Mutex extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 尝试获取锁
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        assert acquires == 1; // Otherwise unused
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 尝试释放锁
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        assert releases == 1; // Otherwise unused
        if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
        setExclusiveOwnerThread(null);
        setState(0);
        return true;
    }

    // 是否锁定状态
    public boolean isLocked() {
        return getState() != 0;
    }
}

在这个示例中，tryAcquire 方法检查 state 是否为 0，如果是，则尝试将其设置为 1，如果设置成功，则表示获取了锁。tryRelease 方法将 state 设置回 0，并清除独占线程。

AQS 提供的模板方法 acquire 和 release 会调用这些方法，并在必要时进行线程的排队和唤醒。

总结

AQS 是 Java 并发编程中的一个重要组件，它通过内部的同步状态、等待队列和模板方法，为构建锁和其他同步器提供了强大的基础。理解和掌握 AQS 对于深入学习 Java 并发编程至关重要。