精進之路之AQS及相關組件

AQS ( AbstractQueuedSynchronizer)是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用AQS能簡單且高效地構造出應用普遍的大量的同步器，好比咱們提到的ReentrantLock，Semaphore，其餘的諸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基於AQS的。固然，咱們本身也能利用AQS很是輕鬆容易地構造出符合咱們本身需求的同步器。

1.思惟導圖：

 2.原理

2.1.AQS核心思想

AQS核心思想是，若是被請求的共享資源空閒，則將當前請求資源的線程設置爲有效的工做線程，而且將共享資源設置爲鎖定狀態。若是被請求的共享資源被佔用，那麼就須要一套線程阻塞等待以及被喚醒時鎖分配的機制，這個機制AQS是用CLH隊列鎖實現的，即將暫時獲取不到鎖的線程加入到隊列中。

注：CLH(Craig,Landin,and Hagersten)隊列是一個虛擬的雙向隊列（虛擬的雙向隊列即不存在隊列實例，僅存在結點之間的關聯關係）。AQS是將每條請求共享資源的線程封裝成一個CLH鎖隊列的一個結點（Node）來實現鎖的分配。

 

AQS使用一個int成員變量來表示同步狀態，經過內置的FIFO隊列來完成獲取資源線程的排隊工做。AQS使用CAS對該同步狀態進行原子操做實現對其值的修改。

/**
 * The synchronization state.
 */
private volatile int state;

狀態信息經過procted類型的getState，setState，compareAndSetState進行操做

//返回同步狀態的當前值 
protected final int getState() { return state; } 
// 設置同步狀態的值 
protected final void setState(int newState) { state = newState; } 
//原子地（CAS操做）將同步狀態值設置爲給定值update若是當前同步狀態的值等於expect（指望值） 
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);

2.2 AQS 對資源的共享方式

AQS定義兩種資源共享方式

    Exclusive（獨佔）：只有一個線程能執行，如ReentrantLock。又可分爲公平鎖和非公平鎖：
        公平鎖：按照線程在隊列中的排隊順序，先到者先拿到鎖
        非公平鎖：當線程要獲取鎖時，無視隊列順序直接去搶鎖，誰搶到就是誰的
    Share（共享）：多個線程可同時執行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 咱們都會在後面講到。

ReentrantReadWriteLock 能夠當作是組合式，由於ReentrantReadWriteLock也就是讀寫鎖容許多個線程同時對某一資源進行讀。

不一樣的自定義同步器爭用共享資源的方式也不一樣。自定義同步器在實現時只須要實現共享資源 state 的獲取與釋放方式便可，至於具體線程等待隊列的維護（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等），AQS已經在上層已經幫咱們實現好了。

2.3 AQS底層使用了模板方法模式

同步器的設計是基於模板方法模式的，若是須要自定義同步器通常的方式是這樣（模板方法模式很經典的一個應用）：

    使用者繼承AbstractQueuedSynchronizer並重寫指定的方法。（這些重寫方法很簡單，無非是對於共享資源state的獲取和釋放）
    將AQS組合在自定義同步組件的實現中，並調用其模板方法，而這些模板方法會調用使用者重寫的方法。

AQS使用了模板方法模式，自定義同步器時須要重寫下面幾個AQS提供的模板方法：
isHeldExclusively()//該線程是否正在獨佔資源。只有用到condition才須要去實現它。 
tryAcquire(int)//獨佔方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。 
tryRelease(int)//獨佔方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。 
tryAcquireShared(int)//共享方式。嘗試獲取資源。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源。 
tryReleaseShared(int)//共享方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
默認狀況下，每一個方法都拋出 UnsupportedOperationException。 這些方法的實現必須是內部線程安全的，而且一般應該簡短而不是阻塞。AQS類中的其餘方法都是final ，因此沒法被其餘類使用，只有這幾個方法能夠被其餘類使用。

以ReentrantLock爲例，state初始化爲0，表示未鎖定狀態。A線程lock()時，會調用tryAcquire()獨佔該鎖並將state+1。此後，其餘線程再tryAcquire()時就會失敗，直到A線程unlock()到state=0（即釋放鎖）爲止，其它線程纔有機會獲取該鎖。固然，釋放鎖以前，A線程本身是能夠重複獲取此鎖的（state會累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多麼次，這樣才能保證state是能回到零態的。

再以CountDownLatch以例，任務分爲N個子線程去執行，state也初始化爲N（注意N要與線程個數一致）。這N個子線程是並行執行的，每一個子線程執行完後countDown()一次，state會CAS(Compare and Swap)減1。等到全部子線程都執行完後(即state=0)，會unpark()主調用線程，而後主調用線程就會從await()函數返回，繼續後餘動做。

通常來講，自定義同步器要麼是獨佔方法，要麼是共享方式，他們也只需實現tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種便可。但AQS也支持自定義同步器同時實現獨佔和共享兩種方式，如ReentrantReadWriteLock。

3 Semaphore(信號量)-容許多個線程同時訪問

Semaphore是一個計數信號量。
從概念上將，Semaphore包含一組許可證。
若是有須要的話，每一個acquire()方法都會阻塞，直到獲取一個可用的許可證。
每一個release()方法都會釋放持有許可證的線程，而且歸還Semaphore一個可用的許可證。
然而，實際上並無真實的許可證對象供線程使用，Semaphore只是對可用的數量進行管理維護。

synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只容許一個線程訪問某個資源，Semaphore(信號量)能夠指定多個線程同時訪問某個資源。具體解釋和應用可參見 深刻淺出java Semaphore    

 

4.CountDownLatch （倒計時器） 具體參考  https://blog.csdn.net/qq_34337272/article/details/83655291  

 適用場景：

       好比對於馬拉松比賽，進行排名計算，參賽者的排名，確定是跑完比賽以後，進行計算得出的，翻譯成Java識別的預發，就是N個線程執行操做，主線程等到N個子線程執行完畢以後，在繼續往下執行。

其餘參考 : https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4NDQ4MzU5OA==&mid=2247483745&idx=2&sn=6778ee954a19816310df54ef9a3c2f8a&chksm=fd985700caefde16b9970f5e093b0c140d3121fb3a8458b11871e5e9723c5fd1b5a961fd2228&token=1829606453&lang=zh_CN#rd

很是感謝原做者的分享