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J.U.C之AQS

2018-07-09 13:28:00来源：博客园阅读 ()

AQS是J.U.C和核心

设计原理

使用Node实现FIFO队列，多线程争用资源被阻塞时会进入此队列
利用了一个int类型标示状态，有一个state的成员变量，表示获取锁的线程数（0没有线程获取锁，1有线程获取锁，大于1表示重入锁的数量），和一个同步组件ReentrantLock，
使用方法是继承，基于模板方法
子类通过继承并通过实现它的方法管理其状态{acquire和release}的方法操作状态
可以实现排它锁和共享锁的模式（独占、共享）

具体实现的思路

1.首先 AQS内部维护了一个CLH队列，来管理锁

2.线程尝试获取锁，如果获取失败，则将等待信息等包装成一个Node结点，加入到同步队列Sync queue里

3.不断重新尝试获取锁（当前结点为head的直接后继才会尝试），如果获取失败，则会阻塞自己，直到被唤醒

4.当持有锁的线程释放锁的时候，会唤醒队列中的后继线程

AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

AQS同步组件

CountDownLatch
Semaphore
CyclicBarrier
ReentrantLock
Condition
FutureTask

ReentrantLock是共享锁，JUC中的共享锁有CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, ReentrantReadWriteLock等

CountDownLatch

同步阻塞类，可以完成阻塞线程的功能

CountDownLatch是通过一个计数器来实现的，计数器的初始值为线程的数量。每当一个线程完成了自己的任务后，计数器的值就会减1。当计数器值到达0时，它表示所有的线程已经完成了任务，然后在闭锁上等待的线程就可以恢复执行任务。
构造器中的计数值（count）实际上就是闭锁需要等待的线程数量。这个值只能被设置一次，而且CountDownLatch没有提供任何机制去重新设置这个计数值。

与CountDownLatch的第一次交互是主线程等待其他线程。主线程必须在启动其他线程后立即调用CountDownLatch.await()方法。这样主线程的操作就会在这个方法上阻塞，直到其他线程完成各自的任务。

使用场景

1.程序执行需要等待某个条件完成后，才能进行后面的操作。比如父任务等待所有子任务都完成的时候，在继续往下进行

实例1：基本用法

@Slf4j
public class CountDownLatchExample1 {

    private final static int threadCount = 200;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            final int threadNum = i;
            exec.execute(() -> {
                try {
                    test(threadNum);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                } finally {
                    // 为防止出现异常，放在finally更保险一些
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        countDownLatch.await();
        log.info("finish");
        exec.shutdown();
    }

    private static void test(int threadNum) throws Exception {
        Thread.sleep(100);
        log.info("{}", threadNum);
        Thread.sleep(100);
    }
}

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2.比如有多个线程完成一个任务，但是这个任务只想给他一个指定的时间，超过这个任务就不继续等待了。完成多少算多少

@Slf4j
public class CountDownLatchExample2 {

    private final static int threadCount = 200;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            final int threadNum = i;
           // 放在这里没有用的，因为这时候还是在主线程中阻塞，阻塞完以后才开始执行下面的await
           // Thread.sleep(1);
            exec.execute(() -> {
                try {
                    test(threadNum);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
       // 等待指定的时间 参数1：等待时间 参数2：时间单位
        countDownLatch.await(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
        log.info("finish");
       // 并不是第一时间内销毁掉所有线程，而是先让正在执行线程执行完
        exec.shutdown();
    }

    private static void test(int threadNum) throws Exception {
        Thread.sleep(100);
        log.info("{}", threadNum);
    }
}

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Semaphore

控制某个资源能被访问的次数

使用场景

1.仅能提供有限访问的资源：比如数据库的连接数最大只有20，而上层的并发数远远大于20，这时候如果不做限制，可能会由于无法获取连接而导致并发异常，这时候可以使用Semaphore来进行控制，当信号量设置为1的时候，就和单线程很相似了

实例1：每次获取1个许可

@Slf4j
public class SemaphoreExample1 {

    private final static int threadCount = 20;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            final int threadNum = i;
            exec.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire(); // 获取一个许可
                    test(threadNum);
                    semaphore.release(); // 释放一个许可
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        exec.shutdown();
    }

    private static void test(int threadNum) throws Exception {
        log.info("{}", threadNum);
        Thread.sleep(1000);
    }
}

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实例2：一次性获取多个许可

@Slf4j
public class SemaphoreExample2 {

    private final static int threadCount = 20;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            final int threadNum = i;
            exec.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire(3); // 获取多个许可
                    test(threadNum);
                    semaphore.release(3); // 释放多个许可
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        exec.shutdown();
    }

    private static void test(int threadNum) throws Exception {
        log.info("{}", threadNum);
        Thread.sleep(1000);
    }
}

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2.并发很高，想要超过允许的并发数之后，就抛弃

@Slf4j
public class SemaphoreExample3 {

    private final static int threadCount = 20;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            final int threadNum = i;
            exec.execute(() -> {
                try{
                    if (semaphore.tryAcquire()) { // 尝试获取一个许可
   // 本例中只有一个三个线程可以执行到这里
                        test(threadNum);
                        semaphore.release(); // 释放一个许可
                    }
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        exec.shutdown();
    }

    private static void test(int threadNum) throws Exception {
        log.info("{}", threadNum);
        Thread.sleep(1000);
    }
}

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3.尝试获取获取许可的次数以及超时时间都可以设置

@Slf4j
public class SemaphoreExample4 {

    private final static int threadCount = 20;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            final int threadNum = i;
            exec.execute(() -> {
                try {
                    if (semaphore.tryAcquire(5000, TimeUnit.MILLISECONDS)) { // 尝试获取一个许可
                        test(threadNum);
                        semaphore.release(); // 释放一个许可
                    }
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        exec.shutdown();
    }

    private static void test(int threadNum) throws Exception {
        log.info("{}", threadNum);
        Thread.sleep(1000);
    }
}

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CyclicBarrier

同步辅助类，允许一组线程相互等待，知道所有线程都准备就绪后，才能继续操作，当某个线程调用了await方法之后，就会进入等待状态，并将计数器-1，直到所有线程调用await方法使计数器为0，才可以继续执行，由于计数器可以重复使用，所以我们又叫他循环屏障。

CyclicBarrier与CountDownLatch区别

1.CyclicBarrier可以重复使用（使用reset方法），CountDownLatch只能用一次
2.CountDownLatch主要用于实现一个或n个线程需要等待其他线程完成某项操作之后，才能继续往下执行，描述的是一个或n个线程等待其他线程的关系，而CyclicBarrier是多个线程相互等待，知道满足条件以后再一起往下执行。描述的是多个线程相互等待的场景

可以设置等待时间

@Slf4j
public class CyclicBarrierExample1 {

   // 1.给定一个值，说明有多少个线程同步等待
    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            // 延迟1秒，方便观察
            Thread.sleep(1000);
            executor.execute(() -> {
                try {
                    race(threadNum);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }

    private static void race(int threadNum) throws Exception {
        Thread.sleep(1000);
        log.info("{} is ready", threadNum);
       // 2.使用await方法进行等待
        barrier.await();
        log.info("{} continue", threadNum);
    }
}

View Code

@Slf4j
public class CyclicBarrierExample2 {

    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            Thread.sleep(1000);
            executor.execute(() -> {
                try {
                    race(threadNum);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }

    private static void race(int threadNum) throws Exception {
        Thread.sleep(1000);
        log.info("{} is ready", threadNum);
        try {
            // 由于状态可能会改变，所以会抛出BarrierException异常，如果想继续往下执行，需要加上try-catch
            barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        } catch (Exception e) {
            log.warn("BarrierException", e);
        }
        log.info("{} continue", threadNum);
    }
}

View Code

@Slf4j
public class CyclicBarrierExample3 {

    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
       // 当线程全部到达屏障时，优先执行这里的runable
        log.info("callback is running");
    });

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            Thread.sleep(1000);
            executor.execute(() -> {
                try {
                    race(threadNum);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }

    private static void race(int threadNum) throws Exception {
        Thread.sleep(1000);
        log.info("{} is ready", threadNum);
        barrier.await();
        log.info("{} continue", threadNum);
    }
}

View Code

ReentrantLock与Condition

java一共分为两类锁，一类是由synchornized修饰的锁，还有一种是JUC里提供的锁，核心就是ReentrantLock

synchornized与ReentrantLock的区别对比

对比维度	synchornized	ReentrantLock
可重入性（进入锁的时候计数器自增1）	可重入	可重入
锁的实现	JVM实现，很难操作源码，得到实现	JDK实现
性能	在引入轻量级锁后性能大大提升，建议都可以选择的时候选择synchornized	-
功能区别	方便简洁，由编译器负责加锁和释放锁	手工操作
粒度、灵活度	粗粒度，不灵活
可否指定公平所	不可以	可以
可否放弃锁	不可以	可以

基本使用

@Slf4j
@ThreadSafe
public class LockExample2 {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static int count = 0;

    private final static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}", count);
    }

    private static void add() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

View Code

轻松学习java可重入锁(ReentrantLock)的实现原理

ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock，顾名思义，是读写锁。它维护了一对相关的锁 — — “读取锁”和“写入锁”，一个用于读取操作，另一个用于写入操作。
“读取锁”用于只读操作，它是“共享锁”，能同时被多个线程获取。
“写入锁”用于写入操作，它是“独占锁”，写入锁只能被一个线程锁获取。
注意：不能同时存在读取锁和写入锁！

@Slf4j
public class LockExample3 {

    private final Map<String, Data> map = new TreeMap<>();

    private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    private final Lock readLock = lock.readLock();

    private final Lock writeLock = lock.writeLock();

    public Data get(String key) {
        readLock.lock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    public Set<String> getAllKeys() {
        readLock.lock();
        try {
            return map.keySet();
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

// 在没有任何读写锁的时候才可以进行写入操作
    public Data put(String key, Data value) {
        writeLock.lock();
        try {
            return map.put(key, value);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    class Data {

    }
}

View Code

功能比较：

便利性：很明显Synchronized的使用比较方便简洁，并且由编译器去保证锁的加锁和释放，而ReenTrantLock需要手工声明来加锁和释放锁，为了避免忘记手工释放锁造成死锁，所以最好在finally中声明释放锁。

锁的细粒度和灵活度：很明显ReenTrantLock优于Synchronized

ReenTrantLock独有的能力：

1. ReenTrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。

2. ReenTrantLock提供了一个Condition（条件）类，用来实现分组唤醒需要唤醒的线程们，而不是像synchronized要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。

3. ReenTrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。

什么情况下使用ReenTrantLock：

答案是，如果你需要实现ReenTrantLock的三个独有功能时。

性能比较：

synchronized：
在资源竞争不是很激烈的情况下，偶尔会有同步的情形下，synchronized是很合适的。原因在于，编译程序通常会尽可能的进行优化synchronize，另外可读性非常好，不管用没用过5.0多线程包的程序员都能理解。

ReentrantLock:
ReentrantLock提供了多样化的同步，比如有时间限制的同步，可以被Interrupt的同步（synchronized的同步是不能Interrupt的）等。在资源竞争不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差点点。但是当同步非常激烈的时候，synchronized的性能一下子能下降好几十倍。而ReentrantLock确还能维持常态。

Atomic:
和上面的类似，不激烈情况下，性能比synchronized略逊，而激烈的时候，也能维持常态。激烈的时候，Atomic的性能会优于ReentrantLock一倍左右。但是其有一个缺点，就是只能同步一个值，一段代码中只能出现一个Atomic的变量，多于一个同步无效。因为他不能在多个Atomic之间同步。

所以，我们写同步的时候，优先考虑synchronized，如果有特殊需要，再进一步优化。ReentrantLock和Atomic如果用的不好，不仅不能提高性能，还可能带来灾难。

Condition

Condition的特性:

1.Condition中的await()方法相当于Object的wait()方法，Condition中的signal()方法相当于Object的notify()方法，Condition中的signalAll()相当于Object的notifyAll()方法。不同的是，Object中的这些方法是和同步锁捆绑使用的；而Condition是需要与互斥锁/共享锁捆绑使用的。

2.Condition它更强大的地方在于：能够更加精细的控制多线程的休眠与唤醒。对于同一个锁，我们可以创建多个Condition，在不同的情况下使用不同的Condition。
例如，假如多线程读/写同一个缓冲区：当向缓冲区中写入数据之后，唤醒"读线程"；当从缓冲区读出数据之后，唤醒"写线程"；并且当缓冲区满的时候，"写线程"需要等待；当缓冲区为空时，"读线程"需要等待。

如果采用Object类中的wait(), notify(), notifyAll()实现该缓冲区，当向缓冲区写入数据之后需要唤醒"读线程"时，不可能通过notify()或notifyAll()明确的指定唤醒"读线程"，而只能通过notifyAll唤醒所有线程(但是notifyAll无法区分唤醒的线程是读线程，还是写线程)。但是，通过Condition，就能明确的指定唤醒读线程。