【深入浅出Java并发编程指南】「实战篇」教你如何使用AbstractQueuedSynchronizer实现自己的同步器组件

news2024/12/24 8:50:52

前提概要

之前的文章中会涉及到了相关AQS的原理和相关源码的分析，所谓实践是检验真理的唯一标准！接下来就让我们活化一下AQS技术，主要针对于自己动手实现一个AQS同步器。

定义MyLock实现Lock

Doug Lea大神在JDK1.5编写了一个Lock接口，里面定义了实现一个锁的基本方法，我们只需编写一个MyLock类实现这个接口就好。

下面就是针对于Lock实现类的基本基础架构机制，从而实现对应的各个核心的方法内容。

class MyLock implements Lock {
}

对应的Lock接口的方法实现

加锁

如果加锁竞争锁资源不成功则进入等待队列。

 @Override
public void lock() {}

加锁

如果加锁竞争锁资源不成功则进入等待队列，在处于等待过程中是允许外界调用interrupt进行中断等待状态。

@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {}

尝试加锁

与try的区别就是try会因为没有获取到锁资源而进入等待队列。而对于tryLock，如果出现失败后，则会立刻返回不会进入等待队列，而是返回给调用端false，如果获取到资源则进行返回true，有一点乐观锁的感觉。

@Override
public boolean tryLock() {}

尝试加锁带超时的

他会尝试阻塞和等待对应的时间time和对应的TimeUnit时间戳单位，进行等待加锁。

@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {}

释放锁

@Override
public void unlock() {}

返回一个条件变量(不在本案例谈论)

@Override
public Condition newCondition() {}

定义好MyLock后，接下来就是实现各个方法的逻辑，达到真正的用于线程间sync互斥的需求。

自定义一个同步器

我们定义MySync然后继承自AbstractQueuedSynchronizer的Sync对象类。实现自定义的MySync前，先了解AQS内部的一些基本概念。在AQS中主要的一些成员属性如下：

state：用于标记资源状态，如果为0表示资源没有被占用，可以加锁成功。如果大于0表示资源已经被占用，然后根据自己的定义去实现是否允许对共享资源进行操作。
- 比如：ReentrantLock的实现方式是当state大于0，那么表示已经有线程获得锁了，我们都知道ReentrantLock是可重入的，其原理就是当有线程次进入同一个lock标记的临界区时。先判断这个线程是否是获得锁的那个线程，如果是，state会+1，此时state会等于2。
- 当unlock时，会一层一层的减1，直到state等于0则表示完全释放锁成功。
head、tail：用于存放获得锁失败的线程。在AQS中，每一个线程会被封装成一个Node节点，这些节点如果获得锁资源失败会链在head、tail中，成为一个双向链表结构。
exclusiveOwnerThread：用于存放当前获得锁的线程，正如在state说明的那样。ReentrantLock判断可重入的条件就是用这个exclusiveOwnerThread线程跟申请获得锁的线程做比较，如果是同一个线程，则state+1,并重入加锁成功。

知道这些概念后我们就可以自定义一个AQS：

public final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    /**
    * 尝试加锁
    */
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            // 修改state状态成功后设置当前线程为占有锁资源线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }
    /**
    * 释放锁
    */
    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        setExclusiveOwnerThread(null);
        // state有volatile修饰，为了保证解锁后其他的一些变量对其他线程可见，把setExclusiveOwnerThread(null)放到上面 happens-before中定义的 volatile规则
        setState(0);
        return true;
    }
    /**
    * 判断是否是独占锁
    */
    @Override
    protected boolean isHeldExclusively() {
        return getState() == 1;
    }
}

将MySync组合进MyLock

最后一步就是将第一步中的所有方法逻辑完成

class MyLock implements Lock {

    // 组合自定义sync器
    private MySync sync = new MySync();

    /**
     * 加锁。如果不成功则进入等待队列
     */
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    /**
    * 加锁(可被interrupt)
    */
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }
    /**
     * 尝试加锁
     */
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }
    /**
     * 加锁 带超时的
     */
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toMillis(time));
    }
    /**
    * 释放锁
    */
    public void unlock() {
        sync.release(0);
    }
    /**
    * 返回一个条件变量(不在本案例谈论)
    */
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }
}

完成整个MyLock的逻辑后，发现在lock()、unlock()中调用的自定义sync的方法tryAcquire()和tryRelease()方法。我们就以在lock()方法中调用acquire()方法说明模板设计模式在AQS中的应用。

点进.acquire()方法后，发现改该方法是来自AbstractQueuedSynchronizer中：

在这里面可以看到tryAcquire方法，继续点进去看看tryAcquire()，发现该方法是一个必须被重写的方法，否则抛出一个运行时异常。
模板方法设计模式在这里得以体现，再回到我们第二部中自定义的MySync中，就是重写了AQS中的tryAcquire()方法。

因此整个自定义加锁的流程如下：

调用MyLock的lock()，lock()方法调用AQS的acquire()方法
在acquire()方法中调用了tryAcquire()方法进行加锁
而tryAcquire()方法在AQS中是一个必须让子类自定义重写的方法，否则会抛出一个异常
因此调用tryAcquire()时实际上是调用了我们自定义的MySync类中tryAcquire()方法

总结

AQS作为Java并发体系下的关键类，在各种并发工具中都有它的身影，如ReentrantLock、Semaphore等。这些并发工具用于控制sync互斥的手段都是采用AQS，外加Cas机制。AQS采用了模板方法设计模式让子类们自定义sync互斥的条件，比如本案例中MySync类重写了tryAcquire方法。

下面实现一个自定义的sync：

public class SelfSynchronizer {

    private final Sync sync = new Sync();

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    public boolean unLock() {
        return sync.release(1);
    }

    static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        //是否处于占用状态
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        /**
         * 获取sync资源
         * @param acquires
         * @return
         */
        @Override
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            if(compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            //这里没有考虑可重入锁
            /*else if (Thread.currentThread() == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }*/
            return false;
        }

        /**
         * 释放sync资源
         * @param releases
         * @return
         */
        @Override
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
            }
            setState(c);
            return free;
        }
    }
}

ReentrantLock源码和上面自定义的sync很相似，测试下该sync，i++在多线程下执行情况：

public class TestSelfSynchronizer {
    private static int a = 0;
    private static int b = 0;
    private static SelfSynchronizer selfSynchronizer = new SelfSynchronizer();
    private static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(20, 50, 1, TimeUnit.SECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    private static ExecutorService ec = Executors.newFixedThreadPool(20);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 20 ; i++) {
            executor.submit(new Task());
        }
        for (int j = 0; j < 20 ; j++) {
            ec.submit(new TaskSync());
        }
        Thread.sleep(10000);
        System.out.println("a的值："+ a);
        System.out.println("b的值" + b);
        executor.shutdown();
        ec.shutdown();
    }
    static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for(int i=0;i<10000;i++) {
                a++;
            }
        }
    }
    static class TaskSync implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            	//使用sync器加锁
                selfSynchronizer.lock();
                b++;
                selfSynchronizer.unLock();
            }
        }
    }
}