java八股文面试[多线程]——AQS 详细介绍

朱雀 2024-03-25 00:08 109阅读 0赞

线程同步除了Synchronized Volatile ReentranLock 之外，还有其他一些用来进行同步的机制。

**AQS 简单介绍**

AQS 的全称为（Abstract**Queued**Synchronizer），这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

![26df117bfd73d74bb2d8085f814e6b68.png][]

AQS 是一个用来构建**锁和同步器**的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器， 比如我们提到的 **ReentrantLock**，**Semaphore**，其他的诸如 **ReentrantReadWriteLock**，SynchronousQueue，FutureTask(jdk1.7) 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

首先AQS中提供了一个由volatile修饰，并且采用CAS方式修改的int类型的**state变量**。

其次AQS中维护了一个**双向链表**，有head，有tail，并且每个节点都是**Node对象**

static final class Node {
            static final Node SHARED = new Node();
            static final Node EXCLUSIVE = null;
    
            static final int CANCELLED =  1;
            static final int SIGNAL    = -1;
            static final int CONDITION = -2;
    
            static final int PROPAGATE = -3;
    
            volatile int waitStatus;
    
            volatile Node prev;
    
            volatile Node next;
    
            volatile Thread thread; 
    }

AQS内部结构和属性

![image.png][]

##### 加锁流程概述 #####

![image.png][image.png 1]

**取消节点分析**

![image.png][image.png 2]

##### 释放锁流程概述 #####

![image.png][image.png 3]

**1.2 AQS 原理**

![05569e856bd4beaae260a7e47cc667ce.png][]

**1.2.1 AQS 原理概览**

**AQS 核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒 时锁分配的机制，这个机制 AQS 是用** **CLH 队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。**

![67c6ebe01444326328e56bb5eb792e98.png][]

看个 AQS (AbstractQueuedSynchronizer)原理图：

![a7bc0519776da293b28fb2b81db9347c.png][]

AQS 使用一个 **int 成员变量**来表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。

AQS 使用 CAS 对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

![fac5f89208197b2cf7ce7ca549697291.png][]

状态信息通过 protected 类型的getState ， setState ， compareAndSetState 进行操作

![format_png][]

**1.2.2 AQS 对资源的共享方式**

**AQS 定义两种资源共享方式**

**1) Exclusive**（独占）

只有一个线程能执行，如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁,ReentrantLock 同时支持两种锁,下面以 ReentrantLock 对这两种锁的定义做介绍：

![b6d728be4698ad93159dc03e24959103.png][]

下面来看 ReentrantLock 中相关的源代码：

ReentrantLock 默认采用非公平锁，因为考虑获得更好的性能，通过 boolean 来决定是否用公平锁（传入 true 用公平锁）。

![95e1c2c7cd58527c419675138469d251.png][]

ReentrantLock 中公平锁的 lock 方法

![40b1a956eeac640b08142a991d7bb29e.png][]

![d82dd320e8a08a222fb3144e09adf937.png][]

非公平锁的 lock 方法：

![format_png 1][]

![a59195c2cf5c1e2b91b9c722278b0bbc.png][]

总结：公平锁和非公平锁只有两处不同：

![9699fe82a60f85220f2826f39a073745.png][]

公平锁和非公平锁就这两点区别，如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的， 都要进入到阻塞队列等待唤醒。

相对来说，非公平锁会有更好的性能，因为它的吞吐量比较大。当然，非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定，可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。

**1) Share**（共享）

![format_png 2][]

**1.2.3 AQS 底层使用了模板方法模式**

![format_png 3][]

AQS 使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面几个 AQS 提供的模板方法：

![format_png 4][]

![format_png 5][]

**1.3 Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问**

synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。

示例代码如下：

![format_png 6][]

![format_png 7][]

执行 acquire 方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；每个 rerelease方法增加一个许可证，这可能会释放一个阻塞的 acquire 方法。然而，其实并没有实际的许可证这个对象，Semaphore 只是维持了一个可获得许可证的数量。 Semaphore 经常用于**限制获取**某种资源的线程数量。

当然一次也可以一次拿取和释放多个许可，不过一般没有必要这样做：

![fbe12d5cbed8f3d0878134fa4b963c7c.png][]

除了 acquire 方法之外，另一个比较常用的与之对应的方法是tryAcquire 方法，该方法如果获取不到许可就立即返回 false。

Semaphore 有两种模式，**公平模式和非公平模式**。

**公平模式：** 调用 acquire 的顺序就是获取许可证的顺序，遵循 FIFO；

**非公平模式：** 抢占式的。

Semaphore 对应的两个构造方法如下：

![8fb80d07438eb5313d8bac047b5e0227.png][]

**这两个构造方法，都必须提供许可的数量，第二个构造方法可以指定是公平模式还是非公平模式，默认非公平模式。**

**补充**：Semaphore与CountDownLatch一样，也是共享锁的一种实现。它默认构造AQS的state为permits。当执行任务的线程数量超出permits,那么多余的线程将会被放入阻塞队列Park,并自旋判断state是否大于0。只有当state大于0的时候，阻塞的线程才能继续执行,此时先前执行任务的线程继续执 行release方法，release方法使得state的变量会加1，那么自旋的线程便会判断成功。如此，每次只有最多不超过permits数量的线程能自旋成功，便限制了执行任务线程的数量。

**1.4 CountDownLatch （倒计时器）**

![format_png 8][]

**1.4.1 CountDownLatch 的两种典型用法**

![format_png 9][]

**1.4.2 CountDownLatch 的使用示例**

![format_png 10][]

![format_png 11][]

上面的代码中，我们定义了请求的数量为 550，**当这 550 个请求被处理完成之后，才会执行**

**System.out.println("finish");**

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。

其他 N 个线程**必须引用闭锁对象**，因为他们需要**通知**CountDownLatch对象，他们已经完成了各自的任务。这种通知机制是通过CountDownLatch.countDown()方法来完成的；每调用一次这个方法，在构造函数中初始化的 count 值就减 1。所以当 N 个线程都调 用了这个方法，count 的值等于 0，然后主线程就能通过 await() 方法，恢复执行自己的任务。

再插一嘴： CountDownLatch 的await()方法使用不当很容易产生死锁，比如我们上面代码中的 for循环改为：

![f92209bc89abd778d10ba78bc950b288.png][]

这样就导致 count 的值没办法等于 0，然后就会导致一直等待。

**1.4.3 CountDownLatch 的不足**

CountDownLatch **是一次性的**，计数器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当 CountDownLatch 使用完毕后，它不能再次被使用。

**1.4.4 CountDownLatch 项常见面试题**

解释一下 CountDownLatch 概念？

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的不同之处？

给出一些 CountDownLatch 使用的例子？

CountDownLatch 类中主要的方法？

**1.5 CyclicBarrier(循环栅栏)**

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现**线程间的技术等待**，但是它的功能比CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。

CountDownLatch的实现是基于AQS的，而**CycliBarrier**是基于 **ReentrantLock**(ReentrantLock也属于AQS同步器)和 **Condition** 的.

CyclicBarrier 的字面意思是**可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）**。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障 拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier 默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties) ，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await 方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

再来看一下它的构造函数：

![881997dbd5d10115b68cb6f2b8203002.png][]

其中，parties 就代表了有拦截的线程的数量，当拦截的线程数量达到这个值的时候就打开栅栏，让所有线程通过。

**1.5.1 CyclicBarrier 的应用场景**

![afde653f3093f537aa795c8106be246f.png][]

**1.5.2 CyclicBarrier 的使用示例**

示例 1：

![format_png 12][]

![format_png 13][]

运行结果，如下：

![f995653fdfda28814fcefbffb716aff2.png][]

可以看到当线程数量也就是**请求数量**达到我们定义的 5 个的时候， await 方法之后的方法才被执行。

另外，CyclicBarrier还提供一个更高级的构造函数CyclicBarrier(intparties,RunnablebarrierAction)，用于在线程到达屏障时，**优先执行**barrierAction，方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下：

![format_png 14][]

运行结果，如下：

![376c05c07e7373cba50f9a053b0cd131.png][]

![format_png 15][]

**1.5.3 CyclicBarrier 源码分析**

![aab8238b23a72c976b4634523658e6b4.png][]

![format_png 16][]

dowait(false, 0L) ：

![format_png 17][]

![format_png 18][]

总结： CyclicBarrier 内部通过一个 **count 变量作为计数器**，cout 的初始值为 parties 属性的初始化值，每当一个线程到了栅栏这里了，那么就将计数器减一。如果 count 值为 0 了，表示这是这一代最后一个线程到达栅栏，就尝试执行我们构造方法中输入的任务。

**1.5.4CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别**

**下面这个是国外一个大佬的回答：**

CountDownLatch 是计数器，只能使用一次，而 CyclicBarrier 的计数器提供 **reset 功能**，可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从 jdk 作者设计的目的来看，javadoc 是这么描述它们的：

![b93de999f282b24932796045b9ef42fd.png][]

对于 CountDownLatch 来说，重点是“**一个线程**（多个线程）等待”，而其他的 N 个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。而对于 CyclicBarrier，重点是**多个线程**，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。

CountDownLatch **是计数器**，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而

CyclicBarrier 更像是**一个阀门**，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。

知识来源：

[AQS 详细介绍 - 知乎][AQS _ -]

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[AQS _ -]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/378219920