Oracle官方文档中的AbstractQueuedSynchronizer部分讲解

AbstractQueuedSynchronizer简称AQS是Java并发包中的一个基础框架它为实现依赖单个原子变量来表示状态的同步器提供了可靠的基础。

这个框架被广泛用于Java标准库中许多同步器的实现例如

ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch

ReadWriteLock

AQS利用一个整型的变量称为state来表示同步状态并通过内部维护一个FIFO队列来管理那些获取到同步状态失败的线程。

AQS支持两种同步模式

独占模式此模式下每次只允许一个线程持有资源。

例如ReentrantLock

就是一个基于独占模式的同步器。

共享模式此模式下允许多个线程同时持有资源。

例如Semaphore

CountDownLatch

同步状态State一个volatile修饰的整型变量用于控制同步器的状态。

等待队列一个FIFO队列用来管理无法获取到同步状态的线程。

队列的每个节点Node封装了一个线程及其等待状态。

Node类代表等待队列中的一个节点其中封装了线程引用、状态标记等信息。

getState()获取当前同步状态。

setState(int

newState)设置当前同步状态。

compareAndSetState(int

expect,

parkAndCheckInterrupt()阻塞线程直到被唤醒或中断。

unparkSuccessor(Node

如何使用AQS

要使用AQS你需要扩展AbstractQueuedSynchronizer并实现其受保护的方法来管理同步状态。

以下是定义一个简单的二元闭锁binary

class

AQS是实现定制同步器的强大工具其设计抽象且功能强大允许通过简单的方式来实现复杂的同步需求。

通过学习和使用AQS可以极大地扩展Java并发编程的能力并深入理解并发控制机制。

如果你需要更深入的理解AQS阅读Oracle官方文档关于AQS部分将提供丰富的信息和示例帮助你更好地理解和利用这一框架。

探索ReentrantLock,

Java的AbstractQueuedSynchronizer

(AQS)

提供了一个强大的框架来支持多种同步机制其中包括ReentrantLock,

Semaphore,

CyclicBarrier。

这些同步器演示了AQS如何通过简单而强大的API来提供不同级别的并发控制。

ReentrantLock

是一个提供可重入功能的锁它比内置的synchronized锁提供了更多的功能和灵活性。

使用ReentrantLock你可以进行精细的锁控制比如可以实现公平锁按照请求锁的顺序授予锁和非公平锁无序授予。

关键特性

可重入线程可以重复获取已经持有的锁。

支持中断的锁获取操作线程试图获取锁的操作可以被中断。

支持超时尝试获取锁时可以带有超时时间。

支持公平锁和非公平锁设置。

示例用法

管理一组许可证它可以用于控制同时访问某个特定资源的操作数量。

信号量常用于资源池例如限制最大的数据库连接数。

关键特性

初始化时指定许可证数量。

线程可以申请释放一个或多个许可。

当信号量中没有许可时线程将阻塞直到许可可用。

示例用法

{Thread.currentThread().interrupt();

finally

允许一个或多个线程等待一系列指定操作的完成。

CountDownLatch

关键特性

初始化时指定计数值。

主要方法是countDown()用于递减计数器。

await()

示例用法

使一定数量的线程互相等待直至所有线程都到达栅栏位置然后可以选择性地执行一个Runnable任务。

与CountDownLatch不同的是CyclicBarrier是可重用的。

关键特性

初始化时指定等待的线程数量。

所有线程必须到达屏障点屏障才会打开之后可以重新使用。

示例用法

taskbarrier.await();}).start();

}这些工具提供了强大的多线程同步功能每个工具适用于不同的并发编程场景能有效地帮助开发者控制并发流程和资源访问。

分析ReentrantLock和synchronized之间的差异

ReentrantLock

都提供了在多线程环境下进行互斥控制的能力以确保线程安全。

尽管它们的目标相同即防止对共享资源的并发访问但它们在实现方式、功能以及使用灵活性上有一些关键的差异。

基本特性和用法

是Java中的一个关键字用于修饰一个方法或一个代码块。

synchronized

方法或代码块的锁定对象对于方法是调用者对象对于静态方法是类的Class对象对于代码块是括号里配置的对象。

当线程进入一个

synchronized

方法或代码块时它会自动获得锁并在退出时自动释放锁即使是由于异常退出。

ReentrantLock

是java.util.concurrent包中的一个API它实现了Lock接口。

使用ReentrantLock时需要显示地创建一个ReentrantLock实例并在开始同步前调用lock()在结束同步后调用unlock()。

ReentrantLock提供了一种能够中断锁获取等待过程的能力还可以尝试非阻塞地获取锁或尝试在给定的等待时间内获取锁。

功能差异

块内部的锁是不公平的不能保证等待时间最长的线程会首先获取锁。

ReentrantLock

提供了选择公平性或非公平性的构造函数。

公平锁保证了按照线程从等待状态解除的顺序来获取锁。

条件变量支持

notifyAll()方法来实现等待/通知机制这些方法必须在同步块或方法中使用。

ReentrantLock

使用Condition接口来创建不同的等待集这可以更精细地控制线程间的协作比如实现多条件队列。

锁绑定多个条件

关键字不支持多条件变量每个锁对象只与一个单一的内置条件队列相关联。

ReentrantLock

允许绑定多个条件对象每个条件对象都有一个条件队列这对于实现复杂的同步模式更为灵活和有效。

性能和使用选择

的性能要优于synchronized因为ReentrantLock提供了更精细的线程调度和锁管理。

然而从Java

6开始synchronized的实现得到了大幅优化引入了偏向锁和轻量级锁等机制使得在没有高度竞争的情况下synchronized

相差无几。

使用选择如果需要高级功能如公平性、条件支持、锁投票、定时锁等待和可中断锁的获取ReentrantLock是更好的选择。

对于简单的互斥同步synchronized

总结来说ReentrantLock

在简化开发和防止锁未正确释放方面仍有其独到之处。

选择哪一种应根据具体需求和上下文决定。

通过示例理解CountDownLatch和Semaphore的工作原理

CountDownLatch

是Java并发包中的两种非常有用的同步工具它们各自支持不同的并发编程场景。

以下是这两个工具的工作原理及其示例应用。

CountDownLatch

是一个同步辅助类用于延迟线程进程直到其它线程的操作全部完成。

它通过一个计数器来实现该计数器在构造时被初始化为需要等待的事件的数量。

每当一个事件完成后计数器值就递减。

计数到达零时所有等待的线程都被释放以继续执行。

应用场景

确保某些操作直到其它操作全部完成后才继续执行。

等待服务的初始化。

示例假设我们在启动应用程序时需要加载一些必需的资源可以使用CountDownLatch来确保所有资源加载完成后应用程序才继续执行。

int

1000));System.out.println(Resource

resourceNumber

{Thread.currentThread().interrupt();}latch.countDown();}).start();

}try

等待所有资源加载完成System.out.println(All

resources

{Thread.currentThread().interrupt();

}Semaphore

是一个计数信号量用于控制同时访问某个特定资源的操作数量或者同时执行某个指定操作的数量。

它通过一定数量的许可来实现。

线程可以通过调用acquire()方法来获取许可当许可不可用时acquire()会阻塞直到许可变为可用。

线程使用完资源后需要通过调用release()方法来释放许可。

应用场景

示例假设有一个限制了访问数量的数据库连接池可以使用Semaphore来控制可同时建立的连接数量。

int

Semaphore(availableConnections);class

Task

模拟数据库操作System.out.println(Connection

acquired

Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(1000);

使用连接执行操作}

{Thread.currentThread().interrupt();}

finally

{semaphore.release();System.out.println(Connection

released

Thread.currentThread().getName());}}

}for

用于管理对有限资源的并发访问。

这两种工具的适用场景不同但都极大地增强了应用程序的并发能力和控制。

实现自定义同步器

AbstractQueuedSynchronizerAQS是Java并发工具的基石之一提供了一个用于构建锁和其他同步组件的框架。

它的实现依赖于内部的同步状态state和一个FIFO队列等待队列。

深入了解AQS的状态管理和节点队列的操作对于理解其如何支持诸如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等的实现至关重要。

状态管理State

AQS使用一个单一的整数state来表示同步状态。

这个状态的解释取决于AQS的具体子类实现例如在ReentrantLock中状态表示当前持有锁的次数在Semaphore中状态表示剩余的许可数。

主要方法

无条件地设置当前的同步状态。

compareAndSetState(int

expect,

这是一个基于compare-and-swapCAS的原子操作它尝试以原子方式更新状态这是实现非阻塞算法的关键。

protected

AQS的节点队列是一个FIFO队列用于维护等待获取锁的线程。

每个节点Node通常封装了一个线程及其等待状态。

Node类

节点Node是AQS内部的一个静态嵌套类它包含了线程引用、指向前一个和后一个节点的链接以及状态信息。

节点状态可以指示线程是否应该被阻塞是否在等待队列中等待等等。

static

NullPointerException();elsereturn

p;}

通过这些方法和内部机制AQS为锁和其他同步器提供了强大的支持使得它们可以高效地管理同步状态和等待队列。

AQS的设计允许开发者通过继承和实现其方法来创建可靠的自定义同步工具而无需从头开始处理复杂的同步问题。

理解这些核心功能对于深入学习Java并发是非常重要的。

学习如何使用tryAcquire,

时根据具体的同步行为来实现。

下面我们将详细讨论这些方法的用法和如何在你的同步器中实现它们。

tryAcquire(int

这两个方法用于实现独占模式的同步器即一次只能有一个线程成功获取同步状态。

tryAcquire(int

这个方法尝试释放同步状态。

如果释放后允许其他线程获取同步状态则应返回

arg

{setExclusiveOwnerThread(current);return

true;}}else

exceeded);setState(nextc);return

true;}return

getExclusiveOwnerThread())throw

new

IllegalMonitorStateException();boolean

free

true;setExclusiveOwnerThread(null);}setState(c);return

free;

这两个方法用于实现共享模式的同步器允许多个线程同时获取同步状态。

tryAcquireShared(int

这个方法尝试以共享方式获取同步状态。

返回值指示获取是否成功以及后续的获取请求是否也应该成功。

返回值为负表示失败为0表示成功但后续获取不会成功正值表示成功且后续获取也可能成功。

tryReleaseShared(int

这个方法尝试以共享方式释放同步状态。

如果释放后其他线程可以获取同步状态则返回

true否则返回

}在自定义同步器时实现这些方法可以使得同步器行为具体化满足特定的并发控制需求。

AQS

设计并实现一个简单的互斥锁不可重入锁可以通过扩展Java的AbstractQueuedSynchronizer

(AQS)

来完成。

这种锁只允许一个线程在同一时间持有锁并且与ReentrantLock不同它不允许同一线程多次获得锁。

这意味着如果一个线程已经持有锁它再次尝试获取锁时会失败或阻塞。

定义锁类

首先我们需要定义一个新的类这个类继承自AbstractQueuedSynchronizer

import

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public

class

{setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());return

true;}return

IllegalMonitorStateException();setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);return

true;}//

类是一个继承自AbstractQueuedSynchronizer的静态内部类用于定义锁的行为。

tryAcquire(int

acquires)

方法用于尝试获取锁。

如果当前状态是0未锁定则使用CASCompare-And-Swap操作将状态设置为1锁定并将持有锁的线程设置为当前线程。

tryRelease(int

releases)

方法用于释放锁。

它将锁的状态设置回0并清除持有锁的线程。

isHeldExclusively()

使用锁

Thread.currentThread().getName());}

finally

Thread(test::performAction);Thread

new

Thread(test::performAction);t1.start();t2.start();}

}这个简单的互斥锁实现确保了每次只有一个线程可以进入临界区展示了AQS在实现自定义同步器时的强大功能和灵活性。

实现一个共享锁特别是类似读写锁中的读锁部分通常意味着该锁可以被多个读线程同时持有但当写锁被持有时所有读锁的请求必须等待。

这种类型的锁是共享的允许多个线程并发访问资源但只要有一个线程想要写入所有的读线程都必须等待。

下面我将展示如何使用Java中的AbstractQueuedSynchronizer

(AQS)

来实现这样一个简单的读锁。

这将涉及到使用tryAcquireShared和tryReleaseShared方法。

定义锁类

首先定义一个新的类继承自AbstractQueuedSynchronizer

import

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public

class

{sync.releaseShared(1);}private

static

类是一个静态内部类继承自AbstractQueuedSynchronizer用于定义锁的行为。

tryAcquireShared(int

acquires)

方法用于尝试以共享方式获取锁。

该方法首先检查当前状态如果是负值表示写锁被持有则返回-1阻止读锁获取。

如果是非负值则尝试通过CAS操作增加状态值表示增加一个读锁持有者。

tryReleaseShared(int

releases)

方法尝试以共享方式释放锁。

通过CAS操作减少状态值当状态值回到0时表示所有读锁都已释放。

使用锁

模拟读取操作System.out.println(Reading

thread

Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(1000);

假设读取操作耗时}

{Thread.currentThread().interrupt();}

finally

Thread(test::performRead).start();}}

}这个简单的示例创建了一个读锁允许多个线程同时执行读操作。

在真实场景中你可能还需要实现写锁以及更复杂的逻辑来处理读锁和写锁之间的交互。

但这个示例给出了如何利用AQS实现基本的共享锁的核心思路。

关于锁优化

粗粒度锁能够简化程序设计但可能会减少并发性因为它们会在一次操作中锁定大量资源。

细粒度锁可以提高并发性因为它们减少了被锁定的资源数量和时间但管理这些锁的复杂性会增加可能导致死锁或其他同步问题。

锁分解

将一个锁分解成多个锁每个锁保护资源的一个独立部分可以显著提高并发性尤其是当访问不同资源的操作互不影响时。

锁分段

类似于锁分解但是在更细的级别上应用如在实现ConcurrentHashMap时使用。

这涉及到将数据分割成段每段数据有其自己的锁。

代码在持有锁时应尽量做到可重入以避免死锁。

避免在持有锁时调用外部方法这些方法可能会尝试再次获取已经持有的锁或者执行长时间操作。

当数据的读操作远多于写操作时ReadWriteLock可以提高性能。

读写锁允许多个读取者同时访问数据但写入者需要独占访问。

锁消除和锁粗化

锁消除JVM优化的一部分它可以在编译时检测到不必要的锁。

如果确定代码块中的锁不可能被多个线程同时访问那么锁可以被完全消除。

锁粗化通常情况下锁应用于细粒度的操作但如果发现有大量的小锁操作可以合并为一次较长时间的锁操作JVM会自动将多个锁合并为一个较大的锁这样可以减少锁的获取和释放的开销。

使用非阻塞算法

利用现代CPU的原子指令如CAS操作可以实现无锁的并发控制从而提高性能。

例如AtomicInteger和其他原子类使用CAS实现了非阻塞的同步机制。

锁优化是一个重要的领域对于编写高效的并发程序至关重要。

理解并合理应用不同类型的锁和同步机制可以显著提高Java应用程序的性能和可扩展性。

这需要程序员不仅要了解基本的同步技术还要掌握锁的高级应用和优化策略以及JVM在运行时对同步做的优化。

在Java并发编程中Condition

对象是一种高级工具用于实现线程间的通信。

它更加灵活而强大与传统的

Object

java.util.concurrent.locks.Lock

synchronized

关键字自动支持的隐式监视器锁每个对象自带一个监视器不同Condition

Condition

对象控制一个等待集线程可以选择性地在这些集合之间进行等待和唤醒这提供了比单个

wait()

java.util.concurrent.locks.Condition;

import

java.util.concurrent.locks.Lock;

import

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public

class

实例来管理复杂的线程协调逻辑例如在生产者-消费者模式中分别控制空位和可用项。

Condition

提供的这些功能使得线程间协调更加灵活但也需要更细致的控制和正确的使用方式以避免死锁或性能问题。

Condition

实现生产者-消费者模式是一个非常适合展示其功能的例子。

在这个模式中生产者向缓冲区添加数据而消费者从中取数据。

使用

Condition

对象可以精确地控制何时生产者应该等待空间变得可用以及何时消费者应该等待数据变得可用。

步骤与关键点

java.util.concurrent.locks.Condition;

import

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public

class

等待直到缓冲区有空间}queue.offer(value);System.out.println(Produced

value);value;notEmpty.signal();

catch

{ex.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();}

finally

queue.poll();System.out.println(Consumed

catch

{ex.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();}

finally

{e.printStackTrace();}}}}public

void

ProducerConsumerExample().start();}

}说明

用于控制不空notEmpty另一个用于控制不满notFull。

生产者当缓冲区满时生产者通过

notFull.await()

提供精确的线程间协调使生产者和消费者能够有效地共享资源而不会发生冲突。

使用

Condition

监视方法wait/notify可以更好地控制线程的唤醒和等待增强了并发程序的效率和可控性。

分析并比较自定义同步器和Java标准库中的同步器在不同场景下的性能和资源消耗

分析并比较自定义同步器与Java标准库中的同步器在不同场景下的性能和资源消耗我们需要考虑几个关键因素如设计复杂度、适应性、性能开销、以及功能的广泛性。

这些因素对于决定在具体场景中应该使用标准库的同步器还是自定义同步器至关重要。

设计复杂度和适应性

设计与实现Java标准库如java.util.concurrent提供的同步器如ReentrantLock、Semaphore、ReadWriteLock等已经为多种通用并发模式提供了高度优化和经过充分测试的实现。

适应性这些同步器通常涵盖了大多数并发应用场景的需求因此在很多情况下开发者无需深入了解底层的并发机制。

自定义同步器

设计与实现使用AbstractQueuedSynchronizerAQS框架开发自定义同步器允许开发者根据特定需求构建精确的同步语义。

这种方法提供了极高的灵活性但需要深入理解并发编程和AQS的工作原理。

适应性自定义同步器可以针对特定问题进行优化解决标准库同步器可能无法高效处理的特殊场景。

性能开销和资源消耗

性能标准库中的同步器针对多种操作系统和硬件平台进行了优化以提高并发性能和效率。

例如ReentrantLock提供比synchronized更灵活的功能且通常具有更好的性能表现。

资源消耗尽管标准库的同步器经过优化但在极端的高并发场景或者非常特定的用例中它们可能不如专门为该场景优化的自定义同步器高效。

自定义同步器

性能如果正确实现自定义同步器可以在特定的应用场景中提供比标准同步器更优的性能。

这是因为它们可以去除不必要的功能并直接针对特定场景进行优化。

资源消耗自定义实现可能会因设计不当而引入额外的复杂性和性能开销。

不正确的实现可能导致效率低下如过度使用内存或CPU资源。

使用场景分析

高并发访问共享资源标准库中的ReadWriteLock可能比自定义方法更适合因为它已经针对这种用途进行了优化。

特定同步逻辑如复杂的依赖关系自定义同步器可能更合适因为可以精确控制锁的获取和释放的逻辑以适应特定需求。

实时系统在需要极小的延迟和非常精确的时间控制的系统中自定义同步器可能更优因为可以省略不必要的检查和平衡逻辑直接实现最简路径。

在选择使用标准库的同步器还是开发自定义同步器时需要权衡实现的复杂性、性能需求和资源消耗。

对于大多数应用程序Java标准库提供的同步器已足够强大且易于使用应当是首选。

但对于有特殊需求的高级应用如非常高的吞吐量或特定的行为定制同步器可能是必要的。

在这种情况下深入了解并发模式和AQS的工作原理是关键。