利用AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现一个线程同步器

2024-04-21 02:28
文章标签 实现 线程 aqs 同步器 abstractqueuedsynchronizer

本文主要是介绍利用AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现一个线程同步器，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！

目录

1. 前言

2. 什么是同步器

3. 同步器实现思路

Semaphore(信号量)

4. 代码实现

4.1. 创建互斥锁类

4.2  编写静态内部类，继承AQS

4.3  内部类实现AQS钩子函数

4.3  封装lock，unlock方法

4.4. 测试

5. 总结

本文章源码仓库：Concurrent-MulThread/6-AQS-customize-synchronizer at master · 1321928757/Concurrent-MulThread (github.com)

1. 前言

我们在上篇文章带领大家阅读了AQS的源码，理解了AQS的底层实现，AQS 为构建锁和同步器提供了一些通用功能的实现，今天我们就实践一下，基于AQS实现一个同步器，看看AQS如何帮助我们快速构建同步器。

2. 什么是同步器

同步器是一种用于线程同步的工具，控制多个线程对共享资源的并发访问。如Semaphore信号量，CountDownLatch （倒计时器）、CyclicBarrier(循环屏障)都属于同步器。

3. 同步器实现思路

在上一篇文章中我们就已经了解了AQS是基于 模版方法模式 的，他提供了一些抽象方法交付子类实现，我们基于此的自定义同步器设计一般需要如下两步：

1. 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法； 

2. 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

在模版方法模式下，有个很重要的东西，那就是“钩子方法”，这是一种抽象类中的方法，一般使用 protected 关键字修饰，可以给与默认实现，空方法居多，其内容逻辑由子类实现，为什么不适用抽象方法呢？因为，抽象方法需要子类全部实现，增加大量代码冗余！

钩子方法：由抽象类声明并且实现，子类也可以选择加以扩展。通常抽象类会给出一个空的钩子方法，也就是没有实现的扩展。区别在于抽象方法必须实现，而钩子方法可以不实现。也就是说钩子方法为你在实现某一个抽象类的时候提供了可选项，相当于预先提供了一个默认配置。

Ok，有了这层理论知识，我们去看看Java中根据AQS实现的同步工具类有哪些吧

Semaphore(信号量)

在前面我们讲过的synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，而Semaphore(信号量)可以用来控制同时访问特定资源的线程数量，它并不能保证线程安全。

我们下面来看一个关于Semaphore的使用示例：

public class Test {private final Semaphore semaphore;/*** 构造方法初始化信号量* @param limit*/public Test(int limit) {this.semaphore = new Semaphore(limit);}public void useResource() {try {semaphore.acquire();// 使用资源System.out.println("资源use:" + Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(1000); // 模拟资源使用时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {semaphore.release();System.out.println("资源release:" + Thread.currentThread().getName());}}public static void main(String[] args) {// 限制3个线程同时访问资源Test pool = new Test(3);for (int i = 0; i < 4; i++) {new Thread(pool::useResource).start();}}
}

输出

资源use:Thread-1
资源use:Thread-0
资源use:Thread-2
资源release:Thread-0
资源release:Thread-1
资源release:Thread-2
资源use:Thread-3
资源release:Thread-3

由此结果可看出，我们成功的将同时访问共享资源的线程数限制在了不超过3个的级别，这里面涉及到了Semaphore的两个主要方法：acquire()和release()

  1. acquire():获取许可，跟进这个方法后，我们会发现其内部调用了AQS的一个final 方法acquireSharedInterruptibly()，这个方法中又调用了tryAcquireShared(arg)放，作为AQS中的钩子方法，这个方法的实现在Semaphore的两个静态内部类 FairSync（公平模式） 和 NonfairSync（非公平模式） 中。
  2. release():释放许可，同样跟入这个方法，里面用了AQS的releaseShared()，而在这个方法内也毫无疑问的用了tryReleaseShared(int arg)这个钩子方法，原理同上，不再冗释。

以上Semaphore的具体原理实现可以参阅AQS同步器源码解读-CSDN博客，这里就不展开说明了

4. 代码实现

有了上面的一系列学习，我们现在来手写一个自定义的同步器(我们这里写一个互斥锁，同一时刻只允许一个线程获取资源)吧，原理都是差不多的，开始前，先贴上AQS中的几个钩子方法，防止待会忘记。

//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryAcquire(int)
//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int)
//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
protected int tryAcquireShared(int)
//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int)
//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
protected boolean isHeldExclusively()

4.1. 创建互斥锁类

我们新建互斥锁类OnlySyncByAQS

/*** @author Luckysj @刘仕杰* @description 基于AQS实现的互斥锁类* @create 2024/04/20 20:44:07*/
public class OnlySyncByAQS {}

4.2  编写静态内部类，继承AQS

Semaphore控制内部的两个静态内部类来实现公平与非公平的资源获取，我们也可以学习Semaphore的设计，编写一个静态内部类Sync作为同步器，我们重写AQS的三个钩子函数tryAcquire(),tryRelease(),isHeldExclusively()

/*** @author Luckysj @刘仕杰* @description 基于AQS实现的互斥锁类* @create 2024/04/20 20:44:07*/
public class OnlySyncByAQS {
/*** 静态内部类，继承AQS，重写钩子方法*/private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}}

4.3  内部类实现AQS钩子函数

我们首先要重写tryAcquire()，这个方法可以以独占的方式获取同步状态。

 /*** 重写AQS的tryAcquire方法，独占方式，尝试获取资源。*/@Overrideprotected boolean tryAcquire(int arg) {//CAS 尝试更改状态if (compareAndSetState(0, 1)) {//独占模式下，设置锁的持有者为当前线程，来自于AOSsetExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁成功");return true;}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁失败");return false;}

 compareAndSetState这个方法由AQS提供，内部使用CAS操作修改state值，保证修改操作原子性

接着重写 tryRelease()，这个方法可以以独占的方式释放同步状态

 /*** 独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。* @param arg* @return*/@Overrideprotected boolean tryRelease(int arg) {if (getState() == 0) {throw new IllegalMonitorStateException();}//置空锁的持有者setExclusiveOwnerThread(null);//改状态为0，未锁定状态setState(0);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放锁成功！");return true;}

接着重写 isHeldExclusively方法，这个可以用来判断当前线程是否独占了同步状态。

         /*** 判断该线程是否正在独占资源，返回state=1* @return*/@Overrideprotected boolean isHeldExclusively() {return getState() == 1;}

4.3  封装lock，unlock方法

接下来我们在外部的互斥锁封装类中完成lock，unlock方法，对内部的Sync自定义同步器的使用进行封装，简化使用方式。

   private final Sync sync = new Sync();/*** 获取许可，给资源上锁*/public void lock() {sync.acquire(1);}/*** 释放许可，解锁*/public void unlock() {sync.release(1);}/*** 判断是否独占* @return*/public boolean isLocked() {return sync.isHeldExclusively();}

4.4. 测试

新建测试类，来测试我们自定义的互斥锁同步器

public class Test {private OnlySyncByAQS onlySyncByAQS = new OnlySyncByAQS();public void use(){onlySyncByAQS.lock();try {//休眠1秒获取使用共享资源Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {onlySyncByAQS.unlock();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Test test = new Test();//多线程竞争资源，每次仅一个线程拿到锁for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(()->{test.use();}).start();}}
}

运行结果如下，可以看到同一时间只有一个线程可以获取到锁：

5. 总结

本次我们学习了如何使用AQS实现一个互斥锁同步器，在实现过程中，我们主要就是操作state这个同步状态，线程通过修改state值为1来占用资源，如果修改失败，也就是获取锁失败，就会被加入到AQS的CLH双向队列中(可见上篇文章讲解AQS队列同步器源码解读-CSDN博客)阻塞等待。这样就实现了互斥锁，一个时间段只能有一个线程占用共享资源。

我们只需在钩子函数中对state的处理逻辑稍做修改，也可以实现共享锁，如Semaphore的实现，这就是 AQS 的强大所在。

这篇关于利用AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现一个线程同步器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！


http://www.chinasem.cn/article/921943。

相关文章

SpringBoot集成redisson实现延时队列教程

SpringBoot集成redisson实现延时队列教程

《SpringBoot集成redisson实现延时队列教程》文章介绍了使用Redisson实现延迟队列的完整步骤,包括依赖导入、Redis配置、工具类封装、业务枚举定义、执行器实现、Bean创建、消费... 目录1、先给项目导入Redisson依赖2、配置redis3、创建 RedissonConfig 配
阅读更多...
Python的Darts库实现时间序列预测

Python的Darts库实现时间序列预测

《Python的Darts库实现时间序列预测》Darts一个集统计、机器学习与深度学习模型于一体的Python时间序列预测库,本文主要介绍了Python的Darts库实现时间序列预测,感兴趣的可以了解... 目录目录一、什么是 Darts？二、安装与基本配置安装 Darts导入基础模块三、时间序列数据结构与
阅读更多...
Python使用FastAPI实现大文件分片上传与断点续传功能

Python使用FastAPI实现大文件分片上传与断点续传功能

《Python使用FastAPI实现大文件分片上传与断点续传功能》大文件直传常遇到超时、网络抖动失败、失败后只能重传的问题,分片上传+断点续传可以把大文件拆成若干小块逐个上传,并在中断后从已完成分片继... 目录一、接口设计二、服务端实现（FastAPI）2.1 运行环境2.2 目录结构建议2.3 serv
阅读更多...
C#实现千万数据秒级导入的代码

C#实现千万数据秒级导入的代码

《C#实现千万数据秒级导入的代码》在实际开发中excel导入很常见,现代社会中很容易遇到大数据处理业务,所以本文我就给大家分享一下千万数据秒级导入怎么实现,文中有详细的代码示例供大家参考,需要的朋友可... 目录前言一、数据存储二、处理逻辑优化前代码处理逻辑优化后的代码总结前言在实际开发中excel导入很
阅读更多...
SpringBoot+RustFS 实现文件切片极速上传的实例代码

SpringBoot+RustFS 实现文件切片极速上传的实例代码

《SpringBoot+RustFS实现文件切片极速上传的实例代码》本文介绍利用SpringBoot和RustFS构建高性能文件切片上传系统,实现大文件秒传、断点续传和分片上传等功能,具有一定的参考... 目录一、为什么选择 RustFS + SpringBoot？二、环境准备与部署2.1 安装 RustF
阅读更多...
Nginx部署HTTP/3的实现步骤

Nginx部署HTTP/3的实现步骤

《Nginx部署HTTP/3的实现步骤》本文介绍了在Nginx中部署HTTP/3的详细步骤,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面随着小编来一起学... 目录前提条件第一步：安装必要的依赖库第二步：获取并构建 BoringSSL第三步：获取 Nginx
阅读更多...
MyBatis Plus实现时间字段自动填充的完整方案

MyBatis Plus实现时间字段自动填充的完整方案

《MyBatisPlus实现时间字段自动填充的完整方案》在日常开发中,我们经常需要记录数据的创建时间和更新时间,传统的做法是在每次插入或更新操作时手动设置这些时间字段,这种方式不仅繁琐,还容易遗漏,... 目录前言解决目标技术栈实现步骤1. 实体类注解配置2. 创建元数据处理器3. 服务层代码优化填充机制详
阅读更多...
Python实现Excel批量样式修改器(附完整代码)

Python实现Excel批量样式修改器(附完整代码)

《Python实现Excel批量样式修改器(附完整代码)》这篇文章主要为大家详细介绍了如何使用Python实现一个Excel批量样式修改器,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一... 目录前言功能特性核心功能界面特性系统要求安装说明使用指南基本操作流程高级功能技术实现核心技术栈关键函
阅读更多...
Java实现字节字符转bcd编码

Java实现字节字符转bcd编码

《Java实现字节字符转bcd编码》BCD是一种将十进制数字编码为二进制的表示方式,常用于数字显示和存储,本文将介绍如何在Java中实现字节字符转BCD码的过程,需要的小伙伴可以了解下... 目录前言BCD码是什么Java实现字节转bcd编码方法补充总结前言BCD码（Binary-Coded Decima
阅读更多...
SpringBoot全局域名替换的实现

SpringBoot全局域名替换的实现

《SpringBoot全局域名替换的实现》本文主要介绍了SpringBoot全局域名替换的实现,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面随着小编来一... 目录 项目结构⚙️ 配置文件application.yml️ 配置类AppProperties.Ja
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2