什么是 AbstractQueuedSynchronizer

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AbstractQueuedSynchronizer

今天在b站看了关于 AbstractQueuedSynchronizer 的合集，稍微了解了一下 AbstractQueuedSynchronizer 的工作原理，简单记录一下。

AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 是 Java 中 java.util.concurrent 包的一部分，是一个基础框架类，用于实现锁和同步器（如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等）。

AQS 是一个抽象类，主要为实现同步器提供了以下关键功能：

1. 同步状态的管理：

   • AQS 使用一个 int 类型的变量（state）来表示同步状态。（该变量使用 volatile 修饰）
   • 提供了 getState、setState 和 compareAndSetState 方法，允许子类安全地修改同步状态。

2. 线程队列：

   • AQS 使用一个先进先出的等待队列来管理被阻塞的线程。
   • 当线程尝试获取同步资源失败时，会被加入这个等待队列。（需要注意的是，不是获取锁失败马上就加入阻塞队列，而是中间有很多次获取锁的机会）

3. 独占模式和共享模式：

   • 独占模式（Exclusive Mode）：一个线程独占资源，例如 ReentrantLock。
   • 共享模式（Shared Mode）：多个线程可以共享资源，例如 Semaphore 和 CountDownLatch。

4. 模板方法模式：

   AQS 定义了一些模板方法（如 tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared 和 tryReleaseShared），需要子类去实现它们以完成具体的同步逻辑。

   • boolean tryAcquire(int arg): 尝试以独占模式获取资源，由子类实现。
   • boolean tryRelease(int arg): 尝试以独占模式释放资源，由子类实现。
   • int tryAcquireShared(int arg): 尝试以共享模式获取资源，由子类实现。
   • boolean tryReleaseShared(int arg): 尝试以共享模式释放资源，由子类实现。
   • boolean isHeldExclusively(): 判断当前同步器是否被某线程独占。

关于为什么这些方法并非都是抽象方法，而是普通方法，是希望子类按需实现，而不是都需要把这些方法实现。

ReentrantLock加锁流程

下图是 ReentrantLock 加锁的流程图：

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LockSupport阻塞和唤醒

上图中线程阻塞和唤醒是通过 LockSupport 实现的。LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark(Thread thread) 是 Java 中提供的低级线程阻塞和唤醒机制。它们是 java.util.concurrent.locks.LockSupport 类的一部分，用于实现线程的挂起和唤醒操作。

1. park():

   • 将当前线程阻塞（挂起），直到其他线程调用 unpark(Thread thread) 或线程被中断。
   • 是一个相对低级的阻塞操作，用于替代 Thread.suspend() 的不安全行为。
   • 它允许线程在等待某个条件满足时挂起，而不消耗 CPU 资源。

2. unpark(Thread thread):

   • 唤醒指定线程，使其从 park() 状态恢复。
   • 如果被唤醒的线程当前未被阻塞在 park()，调用 unpark() 会记录一个许可，下次调用 park() 时立即返回。

假设有一下代码，想要按顺序打印 ABC，但是由于线程执行是不固定的，所以每次执行会出现不同的结果。

public class LockSupportTest {

    public static void main(String[] args) {
        LockSupportTest lockSupportTest = new LockSupportTest();
        Thread t1 = new Thread(() -> lockSupportTest.printA());
        Thread t2 = new Thread(() -> lockSupportTest.printB());
        Thread t3 = new Thread(() -> lockSupportTest.printC());
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

    private void printA(){
        try {
            Thread.sleep(5);
            System.out.print("A");
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void printB(){
        try {
            Thread.sleep(5);
            System.out.print("B");
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void printC(){
        try {
            Thread.sleep(5);
            System.out.print("C");
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

此时使用 LockSupport 改造一下代码即可稳定顺序打印 ABC：

public class LockSupportTest {

    public static void main(String[] args) {
        LockSupportTest lockSupportTest = new LockSupportTest();
        Thread t3 = new Thread(() -> lockSupportTest.printC());
        Thread t2 = new Thread(() -> lockSupportTest.printB(t3));
        Thread t1 = new Thread(() -> lockSupportTest.printA(t2));

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

    private void printA(Thread thread){
        try {
            Thread.sleep(5);
            System.out.print("A");
            LockSupport.unpark(thread);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void printB(Thread thread){
        try {
            Thread.sleep(5);
            LockSupport.park();
            System.out.print("B");
            LockSupport.unpark(thread);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void printC(){
        try {
            Thread.sleep(5);
            LockSupport.park();
            System.out.print("C");
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}