【AQS面试篇】了解ReentrantLock吗？讲讲其底层实现

最新推荐文章于 2024-08-01 18:30:00 发布

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#并发编程 #AQS #ReentrantLock #juc

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本文详细介绍了AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的原理及其与ReentrantLock的关系，探讨了AQS的底层实现机制，包括CLH队列、CAS及线程阻塞等关键技术。此外，还分析了ReentrantLock的锁机制原理，以及AQS提供的资源共享方式。

AQS知识点

1. ReentrantLock和AQS的关系

Lock的使用：

Lock lock = new ReentrantLock();

// 加锁
lock.lock();
try {
    // 线程任务
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    // 释放锁
    lock.unlock();
}

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock底层，是基于AQS来实现的

AQS（AbstractQueuedSynchronizer），抽象队列同步器。ReentrantLock内部包含了AQS对象，AQS是ReentrantLock实现加锁和释放锁的关键核心组件

在这里插入图片描述

AQS 队列同步器三要素：

CAS 通过此来竞争锁资源
LockSurpport.park/unpark 线程阻塞和释放
CLH 双向链表存放被阻塞的线程

AQS原理

AQS：AbstractQuenedSynchronizer抽象的队列式同步器。是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制。AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在java.util.concurrent.locks包

AQS的核心思想：

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。

用大白话来说，AQS就是基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。

CLH（Craig，Landin，and Hagersten）队列是一个虚拟的双向队列，虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系。
AQS是将每一条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配

在这里插入图片描述

AQS维护了一个volatile int state和一个FIFO线程等待队列，多线程争用资源被阻塞的时候就会进入这个队列。

state就是共享资源，其访问方式有如下三种：

getState()
setState()
compareAndSetState();

CLH队列–双向链表实现

🔗AQS 同步器原理分析

AQS Node节点被 volatile 修饰，head 和 tail（即：链表的头部和尾部）

// Head of the wait queue, lazily initialized. 
private transient volatile Node head;
 
// Tail of the wait queue, lazily initialized. .
private transient volatile Node tail;

在这里插入图片描述

注意：AQS是自旋锁： 在等待唤醒的时候，经常会使用自旋while(!cas())的方式，不停地尝试获取锁，直到被其他线程获取成功

实现了AQS的锁有：自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏都是AQS的衍生物

2. ReentrantLock锁机制原理

AQS内部核心

state int类型，初始为0。代表加锁的状态
关键变量，记录当前获取到锁的线程，初值为null

在这里插入图片描述

初始时，线程A调用RentrantLock的lock方法尝试加锁，加锁的过程是用CAS将state由0变为1

此时线程A获取锁成功

线程A加锁成功后，将加锁线程设置为自己

在这里插入图片描述

可重入锁

线程A再次获取到了锁，判断当前加锁线程是否是自己？，是的话再次获取锁成功，satte类加1

互斥锁

线程B想要获取锁，先判断state是否为0

state = 0，尝试获取锁
state != 0，看持有锁的线程是否是自己；不是则进入到等待队列
线程B等待线程A释放锁之后，尝试重新获取

在这里插入图片描述

AQS中有一个等待队列，存放获取锁🔒失败的线程

在这里插入图片描述

释放锁

state变量减一，为0时彻底释放锁，不再持有资源，直至加锁线程为null

接下来，从等待队列的对头唤醒线程B，重新尝试加锁

线程B重复上述操作，获取锁成功

在这里插入图片描述

3. AQS资源共享方式

AQS 定义了两种资源共享方式：

Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier

不同的自定义的同步器争用共享资源的方式也不同

4. AQS底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是这样（模板方法模式很经典的一个应用）：

使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。
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。
这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别，这是模板方法模式很经典的一个运用。

自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到Condition才需要去实现它；

独占

tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false；
tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false；

共享

tryAcquireShared(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；
tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false；

ReentrantLock为例

（可重入独占式锁）：state初始化为0，表示未锁定状态，A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占锁并将state+1.之后其他线程再想tryAcquire的时候就会失败，直到A线程unlock（）到state=0为止，其他线程才有机会获取该锁。A释放锁之前，自己也是可以重复获取此锁（state累加），这就是可重入的概念。

注意：获取多少次锁就要释放多少次锁，保证state是能回到零态的

CountDownLatch为例

任务分N个子线程去执行，state就初始化为N，N个线程并行执行，每个线程执行完之后countDown()一次，state就会CAS减一。当N子线程全部执行完毕，state=0，会unpark()主调用线程，主调用线程就会从await()函数返回，继续之后的动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

部分内容参考自：