Java当中的AQS

news2024/11/13 13:13:28

一、什么是AQS

AQS的全称是:AbstractQueuedSynchronizer

AQS是java当中的一个抽象类，用来构建锁和同步器。

例如我们常见的ReentrantLock，Semaphore等等都是通过AQS来构建的。

AQS的原理

如果被请求的共享资源没有被占用，那么就把请求资源的线程设置为有效的线程，允许申请，并且把共享资源的线程设置为锁定状态。

如果被请求的共享资源已经被其他的线程占用，那么如果还有线程再次申请共享资源的时候，就会把这些获取不到资源(锁)的线程加入到一个队列当中，这一个队列就是CLH队列

下面，将详细说明一下CLH是什么

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)

CLH队列是一个虚拟的双向队列。

它把每一个请求共享资源的线程封装成一个CLH节点。

这一个节点(Node)拥有以下的属性:

①线程的引用(Thread thread)；

②当前节点的前驱节点(Node prev)；

③当前节点的后继节点(Node next);

④当前节点在队列当中的状态(int waitStatus)

下图来源于网站javaguide.cn

下图来源于网站:Java并发之AQS详解 - waterystone - 博客园

AQS使用成员变量state表示同步状态

举一个例子：以ReentrantLock为例，state的初始值为0，表示未锁定的状态。当有线程（A）调用lock()方法的时候，会调用tryAcquire()方法令这个state的值+1。此后，如果有其他线程（B）再次tryAcquire()，那么就会失败，然后被阻塞。

二、什么是信号量(Semaphore)

信号量是用来控制同时访问特定资源的线程的数量，它通过协调各个线程，以保证合理地使用公共资源。

举一个我们生活当中很常见的例子:当进入地下停车场的时候，通常可以看到地下停车场显示"当前剩余车位数量"这样的提示字眼。

每次有一辆车从入口进入地下停车场，那么可用车位就-1；

如果有一辆车离开地下停车场，那么可用车位就+1。

信号量就有点类似于这个"计数器"，描述了"可用资源的个数"，也就是还可以停车停多少。

三、信号量的操作

信号量有两个操作，一个是P，另外一个是V。

P操作:当申请一个可用资源的时候，计数器就要-1。acquire(表示申请资源)

V操作:当释放一个可用资源的时候，计数器就要+1。release(表示释放资源)

需要注意的是:当信号量变为0的时候，如果再次申请资源，那么就会发生阻塞等待。

那么，Java当中的锁:synchronozed/ReentrantLock就可以理解为可用资源为1的信号量.

因此，信号量也可以被当成锁来使用

构造方法

①初始化一个信号量，指定可以获取资源的最大次数

 //初始化一个信号量，指定可以申请资源的最多的次数
 Semaphore semaphore=new Semaphore(10);

此时，在Semaphore的构造方法当中，初始化的值为10.这个10。就是在AQS当中，所指定的state的值为多少。

第一步:在构造方法当中，初始化一个permits的值，确定可以申请的最大的次数。

第二步:在NonfairSync的构造方法当中，调用父类(Sync)的构造方法

第三步:在Sync的构造方法当中，调用父类(AQS)的setState方法，确定state的个数

②acquire()

acquire()相当于申请一个访问资源，申请一次，就会减少一次可用申请的次数。

        //初始化一个信号量，指定可以申请的最多的次数
        Semaphore semaphore=new Semaphore(10);
        //执行10次acquire操作之后就会阻塞
        for(int i=1;i<=14;i++){
            semaphore.acquire();
            System.out.println("这是第"+i+"次执行acquire");
        }

可用看到，当执行了10次之后，线程就会阻塞等待.

当调用acquire()方法的时候，线程会尝试获取许可证，如果此时AQS的state的值>=0的话，表示获取成功。获取成功之后，就采用CAS的方式令state的值-1。

如果state<0的话，表示许可数量不足，此时就会创建一个新的节点(Node)加入阻塞队列，也就是AQS当中。

③release()方法

可以立即为，把刚才申请的资源重新释放掉。让这些资源可以再次被申请。

因此，正确的做法为:使用了acquire()执行完某段任务之后，立刻执行release()释放资源。

就好像去完商场购物之后，一定要把车开回家，而不是一直留在商场的地下停车场一个道理

因此，正确的代码格式应当是这样的：

//初始化一个信号量，指定可以申请的最多的次数
        Semaphore semaphore=new Semaphore(11);
        //申请资源
        semaphore.acquire();
        //完成一些任务
        System.out.println("执行任务ing"+"....");
        //归还资源
        semaphore.release();

调用release方法之后，线程释放许可证。

步骤一、使用CAS的方式令state的值+1。

步骤二、唤醒AQS当中的一个线程（A）。

步骤三、令唤醒的线程（A）继续去获取"许可证"，也就是执行acquire()方法的逻辑。

四、CountDownLatch

CountDownLatch类似于一个计时器。给定一个场景:在百米冲刺的赛道上面，发令枪一打响，然后裁判开始按下计时器。当运动员跑完的时候，裁判才会把计时器按停。

假设现在，裁判的计时器新增了一个功能:当运动员没有跑完的时候，如果裁判按下了暂停，那么这个时候计时器就会阻塞裁判的手，直到运动员跑完，才允许暂停。

那么，这个计时器就有点CountDownLatch

构造方法

CountDownLatch指定了一个只含有一个参数的构造方法。

当调用这个构造方法构造对象的时候，本质上也是指定AQS当中state的个数。

countDown方法

当有线程调用countDown方法的时候，其实本质上是以CAS的方式减少AQS当中state的个数。

每调用一次countDown，就采用CAS的方式令state减少一次。需要注意的是，即使调用countDown方法的次数超过了构造方法当中指定的次数，也不会造成线程的阻塞。那么，什么情况下面线程会造成阻塞呢？下面将介绍一下await方法

await方法

当线程调用await方法的时候，如果AQS当中的state不为0，那么就需要阻塞等待。

如果state为0了，那么会在state为0的时候，释放所有等待的线程。

可以看到await方法是可以中断的

因此，如果线程因为state>0而阻塞等待。这个等待，是可以被中断的。

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