淺析AQS

来源:https://www.cnblogs.com/hexiayuliang666/archive/2022/04/17/16156939.html
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阻塞隊列 同步隊列 AQS 原理 數據結構 CLH 共用方式 設計模式 組件 自定義 ...


1、AbstractQueue抽象隊列、BlockingQueue阻塞隊列、Deque雙端隊列

2、Queue FIFO先進先出，

      寫入：隊列滿阻塞等待，取出：隊列滿阻塞等待生產

3、使用場景：多線程併發處理、線程池

4、阻塞隊列（BlockingQueue）——四組API（添加、移除、判斷隊列首部的場景）

==1、會拋出異常

==2、有返回值，不拋出異常

==3、阻塞等待（一直阻塞等待）

==4、超時等待

=========拋出異常 add()\remove()\element()=========

//拋出異常
    public static void atest(){
        //數組類型的阻塞隊列  要指定 隊列的大小
         ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        //添加操作 返回Boolean值
        System.out.println(blockingQueue.add("a"));
        System.out.println(blockingQueue.add("b"));
        System.out.println(blockingQueue.add("c"));
        /*
        java.lang.IllegalStateException: Queue full
        隊列已滿  拋出異常
         */
//        System.out.println(blockingQueue.add("d"));
        //檢測隊首元素
        System.out.println("隊首元素"+blockingQueue.element());
        //移除操作  返回移除的添加的元素
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        /*
        java.util.NoSuchElementException
        元素為空 不能再移除  拋出異常
         */
//        System.out.println(blockingQueue.remove());
    }    public static void atest(){
        //數組類型的阻塞隊列  要指定 隊列的大小
         ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        //添加操作 返回Boolean值
        System.out.println(blockingQueue.add("a"));
        System.out.println(blockingQueue.add("b"));
        System.out.println(blockingQueue.add("c"));
        /*
        java.lang.IllegalStateException: Queue full
        隊列已滿  拋出異常
         */
//        System.out.println(blockingQueue.add("d"));
​
        //移除操作  返回移除的添加的元素
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        /*
        java.util.NoSuchElementException
        元素為空 不能再移除  拋出異常
         */
//        System.out.println(blockingQueue.remove());
    }

=========有返回值，不拋出異常 add()\remove()\element()=========

//  不拋出異常
    public static void btest(){
        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        //添加  返回Boolean值  添加成功 返回true
        System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
        //  隊列大小為3   繼續添加元素   不能繼續添加 返回false
        System.out.println(blockingQueue.offer("d"));
​
        //移除  返回元素
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        //  隊列在元素全部移除後 繼續移除操作   不能繼續移除 返回null
        System.out.println(blockingQueue.poll());
    }

=========阻塞等待（一直阻塞等待） add()\remove()\element()=========

//    一直阻塞等待    public static void ctest() throws InterruptedException {        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);        //添加元素        blockingQueue.put("a");        blockingQueue.put("b");        blockingQueue.put("c");        // 隊列已滿  如果繼續添加元素  則造成阻塞  一直阻塞等待  程式一直在等//        blockingQueue.put("d");        //移除元素        System.out.println(blockingQueue.take());        System.out.println(blockingQueue.take());        System.out.println(blockingQueue.take());        //隊列為空   如果繼續移除元素  則造成阻塞  一直在等待元素來移除  程式一直在等//        System.out.println(blockingQueue.take());•    }

=========超時等待 add()\remove()\element()=========

//    等待超時退出
    public static void dtest() throws InterruptedException {
        ArrayBlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        //添加元素  offer(元素，時間，單位)  offer方法的重載方法
        System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
        //隊列已滿 繼續添加元素 等待超過2秒就結束程式
        System.out.println(blockingQueue.offer("d", 2, TimeUnit.SECONDS));
​
        //移除元素  poll（時間，單位）  poll方法的重載方法
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        //隊列為空  繼續移除元素  等待超過2秒就結束程式
        System.out.println(blockingQueue.poll(2,TimeUnit.SECONDS));
    }

5、同步隊列

==沒有容量（即不長時間存儲元素）

    進去一個元素，必須等待取出（take()）後才能再往裡邊繼續添加（put()）

==例子：

    BlockingQueue<String> blockingQueue = new SynchronousQueue<String>();//同步隊列
    //添加元素 線程
    new Thread(()->{
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"put 1");
            blockingQueue.put("1");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"put 2");
            blockingQueue.put("2");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"put 3");
            blockingQueue.put("3");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"線程1").start();
​
    //移除元素 線程
    new Thread(()->{
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==>"+blockingQueue.take());
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==>"+blockingQueue.take());
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==>"+blockingQueue.take());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"線程2").start();
}

 

AQS

1、一個用來構建鎖和同步器的框架，定義了鎖的實現機制，並開放出擴展的地方，讓子類去實現。（封裝得很好，但又有子類擴展的地方）

例如：lock（加鎖）時鎖的內部機制：

      使用鎖Lock時，AQS開放state欄位，然子類可以根據state欄位來決定是否能夠獲得鎖，對於獲取不到鎖的線程，AQS會自動進行管理，無需子類鎖關心。

2、使用AQS能夠簡單且高效地構造出大量應用廣泛的同步器：ReentrantLock,Semaphore,ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask等等，都基於AQS。也可以自定義同步器。

3、AQS底層：

==(1)由 同步隊列 + 條件隊列 聯合實現（CLH隊列鎖）

====一般情況下有同步隊列（雙向鏈表）組成，條件隊列（單向鏈表）不是必須存在的，當程式中存在condition時，才會存在此列表。

====同步隊列管理獲取不到鎖的線程的排隊和釋放

====條件隊列是在一定場景下，對同步隊列的補充（非必須的），如，獲得鎖的線程從空隊列中拿數據(隊列是空的，拿不到數據的),此時，條件隊列會管理該線程，使線程阻塞。

==(2)核心思想：AQS內部維護一個CLH隊列來管理。

====線程請求共用資源時，

     如果被請求的共用資源空閑，則將當前請求資源的線程設置為有效線程，並且將共用資源設置為鎖定狀態；

     如果被請求的共用資源被占用，則需要CLH隊列鎖實現的機制來實現線程阻塞等待以及線程被喚醒使鎖的分配：即將暫時獲取不到鎖的線程加入到隊列中。（上邊的同步隊列）

==(3)CLH鎖隊列：

====是一個虛擬的雙向隊列（不存在隊列實例，僅存在節點間的關聯關係）

====AQS是將每條請求共用資源的線程封裝成一個CLH鎖隊列的一個個節點（Node）實現鎖的分配。

==(4)AQS中同步隊列的工作流程和數據結構：（結合兩圖理解）

 

 

====工作過程：

（1）當前線程獲取同步狀態失敗，同步器會將當線程及等待狀態等信息構成一個Node節點，加入CLH隊列中，放在隊尾,同步器重新設置尾節點。

（2）加入隊列後，會阻塞當前線程

（3）同步狀態被釋放並且同步器重新設置首節點，同步器喚醒等待隊列中第一個節點，讓其再次獲取同步狀態。

====AQS使用一個int成員變數來表示同步狀態，通過內置的FIFO隊列來完成獲取資源線程的排隊工作。

====AQS使用CAS對該同步狀態進行原子性操作實現對其值的修改

private volatile int state;//共用變數，使用volatile修飾保證線程可見性

====狀態信息通過protected類型的getState,setState,compareAndSetState進行操作

//返回同步狀態的當前值
protected final int getState() {
    return state;
}
//設置同步狀態的值
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
//原子地（CAS操作）將同步狀態值設置為給定值update如果當前同步狀態的值等於expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

4、AQS對資源的共用方式

定義了兩種資源共用方式：

==（1）Exclusive(獨占)：又分為公平鎖和非公平鎖

       只有一個線程能執行，如ReentrantLock

====公平鎖：按照線程在隊列中的排隊順序， 先到者先拿到鎖

====非公平鎖：當前線程要獲取鎖時，無視隊列內的順序，直接去強鎖，誰搶到了就是誰的。

==（2）Share(共用)：

       多個線程可以同時執行，如Semaphore\CyclicBarrier\ReadWriteLock\CountDownLatch

==（3）ReentrantReadWriteLock：組合兩種資源共用方式的

====讀鎖運行多個線程同時執行對同一資源進行讀操作

====寫鎖僅允許一個線程能執行對同一資源進行寫操作

==（4）不同自定義的同步器有不同的共用資源方式，自定義同步器在實現時，只需要實現共用資源state的獲取與釋放方式即可。

 

5、AQS使用的設計模式

（1）基於模板設計模式的

（2）自定義同步器的方式：

==1、繼承AbstractQueuedSynchronizer並重寫指定的方法

        重寫方法是指對於共用資源state的獲取和釋放

==2、將AQS組合在自定義同步組件的實現中，並調用其模板方法

       這些模板方法會調用上邊繼承重寫的方法

====AQS提高的模板方法

protected boolean tryAcquire(int)//獨占方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
protected boolean tryRelease(int)//獨占方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
protected int tryAcquireShared(int)//共用方式。嘗試獲取資源。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源。
protected boolean tryReleaseShared(int)//共用方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
protected boolean isHeldExclusively()//該線程是否正在獨占資源。只有用到condition才需要去實現它。

====除以上的方法外，AQS類中其它方法不能被重寫，都為final

====例：

=======獨占方式=======

ReentrantLock

(1)state初始化為0，表示未鎖定狀態;

(2)A線程lock()時，會調用tryAcquire()獨占該鎖並state+1;

(3)其它線程tryAcquire()時會失敗，直到A線程unlock()到state=0,即釋放，其它線程才能獲取該鎖。

(4)A線程釋放前，A自己時可以重覆獲取此鎖的（state++），即可重入

(5)A線程釋放，一定要將state回歸為state=0

=======共用方式=======

CountDownLatch，任務分為N個子線程進行執行

(1)state初始化為N(與線程數一致)

(2)N個子線程並行每執行countDown()一次，state CAS減一

(3)所有子線程都執行完成後即state=0,會unpark()主調用線程

(4)主調用線程從await()函數返回，繼續後續的操作

 

6、AQS組件

（1）Semaphore(信號量)：允許多個線程同時訪問

====synchronized和ReentrantLock是一次只允許一個線程訪問某個資源

（2）CountDownLatch(倒計時器)：同步工具類，用來協調多個線程間的同步，通常用來控制線程等待，可以讓某個線程等待直到倒計時結束，再開始執行。

（3）CyclicBarrier(迴圈柵欄)：可以實現線程間的技術等待，功能更強大複雜。

== Cyclic(可迴圈使用)的Barrier(屏障)：

====讓一組線程到達一個屏障（同步點）時被阻塞，直到最後一個線程到達屏障（同步點）時，才會打開屏障，所有被攔截的線程此時才會繼續執行。

====CyclicBarrier的預設構造方法:CyclicBarrier（int parties）

=======parties參數:表示屏障攔截的線程數量

=======每個線程調用await()方法告知CyclicBarrier已到達屏障，然後被阻塞。


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