本文主要是介绍Java并发编程：深度解析AbstractQueuedSynchronizer（AQS），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
导言
在Java并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）扮演着至关重要的角色，是实现各种同步工具的核心框架。本文将深入探讨AQS的基本原理、应用场景以及源码解析，并通过具体的示例演示AQS在实际开发中的使用。
1.AQS的基本原理：
AQS的核心思想在于使用一个int类型的状态（state）来表示资源的占用情况。通过CAS操作实现对状态的原子性修改，AQS维护了一个等待队列，通过队列来管理获取资源失败的线程。以下是AQS的基本结构：
public class AbstractQueuedSynchronizer {// 状态表示资源占用情况private volatile int state;// 等待队列的头结点和尾节点private transient Node head;private transient Node tail;// 其用途涉及到等待超时时的自旋次数static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;// 具体的等待节点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;Node nextWaiter;final boolean isShared() {return nextWaiter == SHARED;}final Node predecessor() throws NullPointerException {Node p = prev;if (p == null)throw new NullPointerException();elsereturn p;}Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker}Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiterthis.nextWaiter = mode;this.thread = thread;}Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Conditionthis.waitStatus = waitStatus;this.thread = thread;}}// ... 其他方法和内部类
}
2.独占锁与共享锁：
AQS支持两种同步方式，独占锁和共享锁。以下是一个简单的示例，演示了AQS如何实现独占锁，以及多个线程如何争夺锁的情况：
public class ExclusiveLockExample {private static final Lock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {// 线程1获取锁new Thread(() -> {lock.lock();try {System.out.println("Thread 1 acquired the lock");// 业务逻辑} finally {lock.unlock();}}).start();// 线程2尝试获取锁new Thread(() -> {if (lock.tryLock()) {try {System.out.println("Thread 2 acquired the lock");// 业务逻辑} finally {lock.unlock();}} else {System.out.println("Thread 2 failed to acquire the lock");}}).start();}
}
3.AQS中的Node节点：
AQS的等待队列中的节点是通过Node类实现的。Node类不仅包含了线程引用，还有用于标识节点状态的字段。下面是Node类的简化版本：
static final class Node {Node next;Thread thread;int waitStatus;
}4.AQS的模板方法设计模式：
AQS使用了模板方法设计模式，将算法的框架定义在父类中，而将具体实现留给子类。以下是AQS中的模板方法acquire的简化版本：
public class AbstractQueuedSynchronizer {// ... 其他方法// 模板方法，由子类实现具体的锁获取逻辑protected boolean tryAcquire() {// 具体的锁获取逻辑return false;}// ... 其他方法
}
5.共享模式与ReentrantReadWriteLock：
AQS不仅支持独占模式，还支持共享模式。以下是一个简单的示例，演示了AQS如何支持共享模式，以及ReentrantReadWriteLock的应用：
public class SharedLockExample {private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();public static void main(String[] args) {// 读取操作，多个线程可以同时获取锁new Thread(() -> {lock.readLock().lock();try {System.out.println("Read operation");// 读取操作的业务逻辑} finally {lock.readLock().unlock();}}).start();// 写入操作，只能有一个线程获取写锁new Thread(() -> {lock.writeLock().lock();try {System.out.println("Write operation");// 写入操作的业务逻辑} finally {lock.writeLock().unlock();}}).start();}
}
6.AbstractQueuedLongSynchronizer（AQSS）：
AQS的长整型版本，用于支持64位的状态。以下是一个简化的示例，演示了AQS如何使用AQSS支持更大状态空间的情况：
public class CountDownLatchExample {private static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);public static void main(String[] args) {// 线程等待new Thread(() -> {try {latch.await();System.out.println("Thread 1 released");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();// 释放等待线程new Thread(() -> {latch.countDown();System.out.println("CountDownLatch released");}).start();}
}
7.AQS的适用性与可扩展性：
public class SemaphoreExample {private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(2);public static void main(String[] args) {// 线程获取信号量许可new Thread(() -> {try {semaphore.acquire();System.out.println("Thread 1 acquired a permit");// 业务逻辑} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {semaphore.release();}}).start();// 线程获取信号量许可new Thread(() -> {try {semaphore.acquire();System.out.println("Thread 2 acquired a permit");// 业务逻辑} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {semaphore.release();}}).start();}
}
8. compareAndSetState方法：
AQS中通过compareAndSetState方法进行CAS操作，实现对状态的原子性修改。以下是AQS中的一部分源码，展示了该方法的简化版本：
public class AbstractQueuedSynchronizer {// ... 其他方法// 通过CAS操作设置状态protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {// 使用Unsafe类进行CAS操作return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);}// ... 其他方法
}
9.AQS在Java工具包中的应用：
1. ReentrantLock：
- 独占锁的实现：ReentrantLock通过AQS实现了可重入的独占锁，允许同一个线程多次获取锁。
javaCopy code
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {// 业务逻辑
} finally {lock.unlock();
}2. ReentrantReadWriteLock：
- 读写锁的实现：ReentrantReadWriteLock使用AQS实现了读写锁，支持多个线程同时读取，但写操作时需要独占锁。
javaCopy code
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.readLock().lock();
try {// 读取操作
} finally {lock.readLock().unlock();
}lock.writeLock().lock();
try {// 写入操作
} finally {lock.writeLock().unlock();
}3. Semaphore：
- 信号量的实现：Semaphore利用AQS实现了信号量，控制同时访问的线程个数。
javaCopy code
Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 允许同时5个线程访问
semaphore.acquire();
try {// 业务逻辑
} finally {semaphore.release();
}4. CountDownLatch：
- 倒计数器的实现：CountDownLatch通过AQS的共享模式实现了倒计数器，用于等待一组操作完成。
javaCopy code
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 计数器初始值为3
latch.await(); // 等待计数器归零5. CyclicBarrier：
- 循环屏障的实现：CyclicBarrier通过AQS实现了循环屏障，多个线程等待彼此到达某个状态点。
javaCopy code
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3); // 等待3个线程到达
barrier.await(); // 等待线程到达屏障6. LockSupport：
- 线程阻塞工具：LockSupport利用AQS实现了线程的阻塞和唤醒。
javaCopy code
LockSupport.park();
// 线程被阻塞LockSupport.unpark(thread);
// 唤醒线程10.开源组件中的AQS应用
1. Apache HBase：
- HRegion： HBase中的Region Server使用了AQS来实现对Region的访问控制。通过AQS，HBase能够有效地协调多个线程对Region的并发操作，保障数据的一致性。
2. Apache Kafka：
- Kafka Controller： Kafka作为一个分布式消息队列系统，其Controller组件使用了AQS来进行领导者选举和分区的管理。AQS的使用确保了在多个Controller节点之间的协调和同步。
3. Elasticsearch：
- Transport Service： Elasticsearch的Transport Service使用AQS进行线程的管理和调度。AQS的灵活性使得Elasticsearch能够更好地处理多个请求的并发。
4. ZooKeeper：
- ZooKeeper Server： ZooKeeper作为一个分布式协调服务，其Server组件中使用了AQS来管理对共享资源（如ZNode）的访问。AQS的同步机制有助于保障数据的一致性和可靠性。
5. Spring Framework：
- Spring容器管理： 在Spring框架中，AQS被广泛应用于容器的管理。例如，通过ReentrantLock，Spring容器能够安全地管理多个Bean的初始化和销毁过程。
6. Dubbo：
- Dubbo服务提供者管理： Dubbo分布式服务框架中，服务提供者通过AQS来管理对服务的并发访问。这确保了在高并发场景下对服务的有效管理和调度。
这篇关于Java并发编程：深度解析AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
