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JUC多线程：AQS抽象队列同步器原理

發布時間：2024/9/30 编程问答 27 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 JUC多线程：AQS抽象队列同步器原理小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

一、AQS 的工作原理：

1.1、什么是 AQS：

????????AQS，Abstract Queued Synchronizer，抽象隊列同步器，是 J.U.C 中實現鎖及同步組件的基礎。工作原理就是如果被請求的共享資源空閑，則將當前請求資源的線程設置為有效的工作線程，并且將共享資源設置為鎖定狀態，如果被請求的共享資源被占用，那么就將獲取不到鎖的線程加入到等待隊列中。這時，就需要一套線程阻塞等待以及被喚醒時的鎖分配機制，而 AQS 是通過 CLH 隊列實現鎖分配的機制。

1.2、CLH 同步隊列的模型：

????????CLH 隊列是由內部類 Node 構成的同步隊列，是一個雙向隊列（不存在隊列實例，僅存在節點之間的關聯關系），將請求共享資源的線程封裝成 Node 節點來實現鎖的分配；同時利用內部類 ConditionObject 構建等待隊列，當調用 ConditionObject 的 await() 方法后，線程將會加入等待隊列中，當調用 ConditionObject 的 signal() 方法后，線程將從等待隊列轉移動同步隊列中進行鎖競爭。AQS 中只能存在一個同步隊列，但可擁有多個等待隊列。AQS 的 CLH 同步隊列的模型如下圖：

? ? ? ? AQS 有三個主要變量，分別是?head、tail、state，其中 head 指向同步隊列的頭部，注意 head 為空結點，不存儲信息。而 tail 則是同步隊列的隊尾，同步隊列采用的是雙向鏈表的結構是為了方便對隊列進行查找操作。當 Node 節點被設置為 head 后，其 thread 信息和前驅結點將被清空，因為該線程已獲取到同步狀態，正在執行了，也就沒有必要存儲相關信息了，head 只保存后繼結點的指針即可，便于 head 結點釋放同步狀態后喚醒后繼結點。

????????隊列的入隊和出隊操作都是無鎖操作，基于 CAS+自旋鎖實現，AQS 維護了一個 volatile 修飾的 int 類型的 state 同步狀態，volatile 保證線程之間的可見性，并通過 CAS 對該同步狀態進行原子操作、實現對其值的修改。當 state=0 時，表示沒有任何線程占有共享資源的鎖，當 state=1 時，則說明當前有線程正在使用共享變量，其他線程必須加入同步隊列進行等待；

二、內部類 Node 數據結構分析：

static final class Node {//共享模式static final Node SHARED = new Node();//獨占模式static final Node EXCLUSIVE = null;//標識線程已處于結束狀態static final int CANCELLED = 1;//等待被喚醒狀態static final int SIGNAL = -1;//條件狀態static final int CONDITION = -2;//在共享模式中使用表示獲得的同步狀態會被傳播static final int PROPAGATE = -3;//等待狀態,存在CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE 4種取值volatile int waitStatus;//同步隊列中前驅結點volatile Node prev;//同步隊列中后繼結點volatile Node next;//請求鎖的線程volatile Thread thread;//等待隊列中的后繼結點，這個與Condition有關，稍后會分析Node nextWaiter;//判斷是否為共享模式final boolean isShared() {return nextWaiter == SHARED;}//..... }

????????AQS分為兩種模式：獨占模式 EXCLUSIVE 和共享模式 SHARED，像 ReentrantLock、CyclicBarrier 是基于獨占模式模式實現的，Semaphore，CountDownLatch 等是基于共享模式。

????????變量 waitStatus 表示當前封裝成 Node 節點的線程的等待狀態，共有4種取值 CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE：

CANCELLED：值為1，表示在同步隊列中的線程等待超時或者被中斷，處于已結束狀態，需要從同步隊列中移除該 Node 節點
SIGNAL：值為-1，表示后繼結點在等待當前結點喚醒。后繼結點入隊時，會將前繼結點的狀態更新為 SIGNAL，當該節點釋放了同步鎖之后，就會喚醒該節點的后繼節點
CONDITION：值為-2，與 Condition 相關，表示該結點在 condition 等待隊列中阻塞，當其他線程調用了Condition 的 signal() 方法后，CONDITION 狀態的結點將從等待隊列轉移到同步隊列中，等待獲取同步鎖。
PROPAGATE：值為-3時，在共享模式下使用，表示該線程以及后繼線程進行無條件傳播。前繼結點不僅會喚醒其后繼結點，同時也可能會喚醒后繼的后繼結點。

三、AQS 的設計模式：

3.1、AQS 的模板方法模式：

????????AQS 的基于模板方法模式設計的，在 AQS 抽象類中已經實現了線程在等待隊列的維護方式（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等），而對于具體共享資源 state 的獲取與釋放（也就是鎖的獲取和釋放）則交由具體的同步器來實現，具體的同步器需要實現以下幾種方法：

isHeldExclusively()：該線程是否正在獨占資源，只有用到 condition 才需要去實現它
tryAcquire(int)：獨占模式，嘗試獲取資源，成功則返回 true，失敗則返回 false
tryRelease(int)：獨占方式，嘗試釋放資源，成功則返回 true，失敗則返回 false
tryAcquireShared(int)：共享方式，嘗試獲取資源。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩余可用資源；正數表示成功，且有剩余資源
tryReleaseShared(int)：共享方式，嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續等待結點返回true，否則返回false

3.2、JUC 中提供的同步器：

閉鎖 CountDownLatch：用于讓主線程等待一組事件全部發生后繼續執行。
柵欄 CyclicBarrier：用于等待其它線程，且會阻塞自己當前線程，所有線程必須全部到達柵欄位置后，才能繼續執行；且在所有線程到達柵欄處之后，可以觸發執行另外一個預先設置的線程。
信號量 Semaphore：用于控制訪問資源的線程個數，常常用于實現資源池，如數據庫連接池，線程池。在 Semaphore 中，acquire 方法用于獲取資源，有的話，繼續執行，沒有資源的話將阻塞直到有其它線程調用 release 方法釋放資源；
交換器 Exchanger：用于線程之間進行數據交換；當兩個線程都到達共同的同步點（都執行到exchanger.exchange 的時刻）時，發生數據交換，否則會等待直到其它線程到達；

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的區別？

兩者都可以用來表示代碼運行到某個點上，二者的區別在于：

① CyclicBarrier 的某個線程運行到某個位置之后就停止運行，直到所有的線程都到達了這個點，所有線程才重新運行；CountDownLatch 的某線程運行到某個位置之后，只是給計數值-1而已，該線程繼續運行；

② CyclicBarrier 可重用，CountDownLatch 不可重用，計數值為 0 時該 CountDownLatch 就不可再用了。

推薦閱讀：https://juejin.cn/post/6989419875366076447

3.3、ReentranLock 中獨占模式下非公平鎖的獲取流程：

????????獲取獨占鎖的過程是定義在 tryAcquire() 中的，當前線程嘗試獲取同步狀態，如果獲取失敗，就將線程封裝成 Node 節點插入到 CLH 同步隊列中。插入同步隊列后，線程并沒有放棄獲取同步狀態，而是根據前置節點狀態狀態判斷是否繼續獲取，如果前置節點是 head 結點，繼續嘗試獲取，否則就將線程掛起。如果成功獲取同步狀態則將自己設置為 head 結點。當持有同步狀態的線程釋放資源后，也會喚醒隊列中的后繼線程。

四、ConditionObject 阻塞隊列：

?4.1、什么是 Condition 接口：

????????AQS 的阻塞隊列是基于內部類 ConditionObject 實現的，而 ConditionObject 實現了 Condition 接口。那 Condition 接口是什么呢？Condition 主要用于線程的等待和喚醒，在JDK5之前，線程的等待喚醒是用 Object 類的 wait/notify/notifyAll 方法實現的，這些方法必須配合 synchronized 關鍵字使用，使用起來不是很方便，為了解決這個問題，在 JDK5 之后，J.U.C 提供了Condition。

Condition.await 對應于 Object.wait;
Condition.signal 對應于 Object.notify；
Condition.signalAll 對應于 Object.notifyAll；

????????與 synchronized 的等待喚醒機制相比，Condition 能夠精細的控制多線程的休眠與喚醒，具備更多的靈活性，通過多個 Condition 實例對象建立不同的等待隊列，從而實現同一個鎖擁有多個等待隊列。而 synchronized 關鍵字只能有一組等待喚醒隊列，使用 notify() 喚醒線程時只能隨機喚醒隊列中的一個線程。

4.2、ConditionObject 阻塞隊列實現原理：

????????Condition 的具體實現之一是 AQS 的內部類 ConditionObject，每個 Condition 都對應著一個等待隊列，也就是說如果一個鎖上創建了多個 Condition 對象，那么也就存在多個等待隊列。當調用 ConditionObject 的 await() 方法后，線程將會加入等待隊列中，當調用 ConditionObject 的 signal() 方法后，線程將從等待隊列轉移動同步隊列中進行鎖競爭。AQS 的 ConditionObject 中的等待隊列模型如下：

?4.3、AQS 的線程喚醒機制原理：

?AQS 的線程喚醒是通過 singal() 方法實現的，我們先看下 singal() 方法線程喚醒的流程圖：

流程圖說明：

signal() 方法主要調用了 doSignal()，而 doSignal() 方法中做了兩件事：

（1）從條件等待隊列移除被喚醒的節點，然后重新維護條件等待隊列的 firstWaiter 和 lastWaiter 的指向。
（2）將從等待隊列移除的結點加入同步隊列（在 transferForSignal() 方法中完成的），如果進入到同步隊列失敗并且條件等待隊列還有不為空的節點，則繼續循環喚醒后續其他結點的線程

注意：無論是同步隊列還是等待隊列，使用的 Node 數據結構都是同一個，不過是使用的內部變量不同罷了

所以 signal() 的流程可以概述為：

signal() 被調用后，先判斷當前線程是否持有獨占鎖
如果有，那么喚醒當前 Condition 等待隊列的第一個結點的線程，并從等待隊列中移除該結點，添加到同步隊列中
如果加入同步隊列失敗，那么繼續循環喚醒等待隊列中的其他結點的線程
如果成功加入同步隊列，那么如果其前驅結點已結束或者設置前驅節點狀態為 Node.SIGNAL 狀態失敗，則通過 LockSupport.unpark() 喚醒被通知節點代表的線程

到此 signal() 任務完成，被喚醒后的線程，將調用 AQS 的 acquireQueued() 方法加入獲取同步狀態的競爭中，這就是等待喚醒機制的整個流程實現原理。

文章總結自：https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/75043422

相關閱讀：https://juejin.cn/post/6844903997438951437

總結

以上是生活随笔為你收集整理的JUC多线程：AQS抽象队列同步器原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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