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Update AQS原理以及AQS同步组件总结.md
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6af5f5367f
commit
d5da28a273
@ -28,11 +28,11 @@
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### 1 AQS 简单介绍
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AQS 的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。
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AQS 的全称为（`AbstractQueuedSynchronizer`），这个类在 `java.util.concurrent.locks` 包下面。
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AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的 ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask(jdk1.7) 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。
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AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的 `ReentrantLock`，`Semaphore`，其他的诸如 `ReentrantReadWriteLock`，`SynchronousQueue`，`FutureTask`(jdk1.7) 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。
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### 2 AQS 原理
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@ -46,7 +46,7 @@ AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高
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> 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，仅存在结点之间的关联关系）。AQS 是将每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。
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看个 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图：
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看个 AQS(`AbstractQueuedSynchronizer`)原理图：
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@ -79,16 +79,16 @@ protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
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**1)Exclusive**（独占）
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只有一个线程能执行，如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁,ReentrantLock 同时支持两种锁,下面以 ReentrantLock 对这两种锁的定义做介绍：
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只有一个线程能执行，如 `ReentrantLock`。又可分为公平锁和非公平锁，`ReentrantLock` 同时支持两种锁,下面以 `ReentrantLock` 对这两种锁的定义做介绍：
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- 公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁
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- 非公平锁：当线程要获取锁时，先通过两次 CAS 操作去抢锁，如果没抢到，当前线程再加入到队列中等待唤醒。
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> 说明：下面这部分关于 `ReentrantLock` 源代码内容节选自：https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer-2 ，这是一篇很不错文章，推荐阅读。
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**下面来看 ReentrantLock 中相关的源代码：**
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**下面来看 `ReentrantLock` 中相关的源代码：**
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ReentrantLock 默认采用非公平锁，因为考虑获得更好的性能，通过 boolean 来决定是否用公平锁（传入 true 用公平锁）。
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`ReentrantLock` 默认采用非公平锁，因为考虑获得更好的性能，通过 `boolean` 来决定是否用公平锁（传入 true 用公平锁）。
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```java
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/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
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@ -102,7 +102,7 @@ public ReentrantLock(boolean fair) {
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}
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```
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ReentrantLock 中公平锁的 `lock` 方法
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`ReentrantLock` 中公平锁的 `lock` 方法
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```java
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static final class FairSync extends Sync {
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@ -187,7 +187,7 @@ final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
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总结：公平锁和非公平锁只有两处不同：
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1. 非公平锁在调用 lock 后，首先就会调用 CAS 进行一次抢锁，如果这个时候恰巧锁没有被占用，那么直接就获取到锁返回了。
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2. 非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法，在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁，但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。
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2. 非公平锁在 CAS 失败后，和公平锁一样都会进入到 `tryAcquire` 方法，在 `tryAcquire` 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁，但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，如果有则不去抢锁，乖乖排到后面。
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公平锁和非公平锁就这两点区别，如果这两次 CAS 都不成功，那么后面非公平锁和公平锁是一样的，都要进入到阻塞队列等待唤醒。
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@ -195,9 +195,9 @@ final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
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**2)Share**（共享）
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多个线程可同时执行，如 Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。
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多个线程可同时执行，如 `Semaphore/CountDownLatch`。`Semaphore`、`CountDownLatCh`、 `CyclicBarrier`、`ReadWriteLock` 我们都会在后面讲到。
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ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为 ReentrantReadWriteLock 也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。
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`ReentrantReadWriteLock` 可以看成是组合式，因为 `ReentrantReadWriteLock` 也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。
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不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS 已经在上层已经帮我们实现好了。
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@ -205,7 +205,7 @@ ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式，因为 ReentrantReadWriteLock
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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）：
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1. 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源 state 的获取和释放）
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1. 使用者继承 `AbstractQueuedSynchronizer` 并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源 state 的获取和释放）
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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。
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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，下面简单的给大家介绍一下模板方法模式，模板方法模式是一个很容易理解的设计模式之一。
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@ -225,9 +225,9 @@ tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true
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默认情况下，每个方法都抛出 `UnsupportedOperationException`。 这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS 类中的其他方法都是 final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。
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以 ReentrantLock 为例，state 初始化为 0，表示未锁定状态。A 线程 lock()时，会调用 tryAcquire()独占该锁并将 state+1。此后，其他线程再 tryAcquire()时就会失败，直到 A 线程 unlock()到 state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A 线程自己是可以重复获取此锁的（state 会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证 state 是能回到零态的。
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以 `ReentrantLock` 为例，state 初始化为 0，表示未锁定状态。A 线程 `lock()` 时，会调用 `tryAcquire()`独占该锁并将 state+1。此后，其他线程再 `tryAcquire()` 时就会失败，直到 A 线程 unlock()到 state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A 线程自己是可以重复获取此锁的（state 会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证 state 是能回到零态的。
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再以 CountDownLatch 以例，任务分为 N 个子线程去执行，state 也初始化为 N（注意 N 要与线程个数一致）。这 N 个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后 countDown()一次，state 会 CAS(Compare and Swap)减 1。等到所有子线程都执行完后(即 state=0)，会 unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从 await()函数返回，继续后余动作。
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再以 `CountDownLatch` 以例，任务分为 N 个子线程去执行，state 也初始化为 N（注意 N 要与线程个数一致）。这 N 个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后 `countDown()` 一次，state 会 CAS(Compare and Swap)减 1。等到所有子线程都执行完后(即 state=0)，会 unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从 `await()` 函数返回，继续后余动作。
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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`。
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@ -238,7 +238,7 @@ tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true
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### 3 Semaphore(信号量)-允许多个线程同时访问
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**synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。**
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**`synchronized` 和 `ReentrantLock` 都是一次只允许一个线程访问某个资源，`Semaphore`(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。**
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示例代码如下：
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@ -285,7 +285,7 @@ public class SemaphoreExample1 {
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}
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```
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执行 `acquire` 方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；每个 `release` 方法增加一个许可证，这可能会释放一个阻塞的 acquire 方法。然而，其实并没有实际的许可证这个对象，Semaphore 只是维持了一个可获得许可证的数量。 Semaphore 经常用于限制获取某种资源的线程数量。
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执行 `acquire` 方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；每个 `release` 方法增加一个许可证，这可能会释放一个阻塞的 acquire 方法。然而，其实并没有实际的许可证这个对象，`Semaphore` 只是维持了一个可获得许可证的数量。 `Semaphore` 经常用于限制获取某种资源的线程数量。
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当然一次也可以一次拿取和释放多个许可，不过一般没有必要这样做：
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@ -297,12 +297,12 @@ semaphore.release(5);// 获取5个许可，所以可运行线程数量为20/5=4
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除了 `acquire`方法之外，另一个比较常用的与之对应的方法是`tryAcquire`方法，该方法如果获取不到许可就立即返回 false。
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Semaphore 有两种模式，公平模式和非公平模式。
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`Semaphore` 有两种模式，公平模式和非公平模式。
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- **公平模式：** 调用 acquire 的顺序就是获取许可证的顺序，遵循 FIFO；
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- **非公平模式：** 抢占式的。
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**Semaphore 对应的两个构造方法如下：**
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**`Semaphore` 对应的两个构造方法如下：**
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```java
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public Semaphore(int permits) {
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@ -316,21 +316,21 @@ Semaphore 有两种模式，公平模式和非公平模式。
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**这两个构造方法，都必须提供许可的数量，第二个构造方法可以指定是公平模式还是非公平模式，默认非公平模式。**
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[issue645 补充内容](https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/issues/645) ：Semaphore 与 CountDownLatch 一样，也是共享锁的一种实现。它默认构造 AQS 的 state 为 permits。当执行任务的线程数量超出 permits,那么多余的线程将会被放入阻塞队列 Park,并自旋判断 state 是否大于 0。只有当 state 大于 0 的时候，阻塞的线程才能继续执行,此时先前执行任务的线程继续执行 release 方法，release 方法使得 state 的变量会加 1，那么自旋的线程便会判断成功。
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如此，每次只有最多不超过 permits 数量的线程能自旋成功，便限制了执行任务线程的数量。
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[issue645 补充内容](https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/issues/645) ：`Semaphore` 与 `CountDownLatch` 一样，也是共享锁的一种实现。它默认构造 AQS 的 state 为 `permits`。当执行任务的线程数量超出 `permits`，那么多余的线程将会被放入阻塞队列 Park,并自旋判断 state 是否大于 0。只有当 state 大于 0 的时候，阻塞的线程才能继续执行,此时先前执行任务的线程继续执行 `release()` 方法，`release()` 方法使得 state 的变量会加 1，那么自旋的线程便会判断成功。
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如此，每次只有最多不超过 `permits` 数量的线程能自旋成功，便限制了执行任务线程的数量。
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由于篇幅问题，如果对 Semaphore 源码感兴趣的朋友可以看下这篇文章：https://juejin.im/post/5ae755366fb9a07ab508adc6
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由于篇幅问题，如果对 `Semaphore` 源码感兴趣的朋友可以看下这篇文章：https://juejin.im/post/5ae755366fb9a07ab508adc6
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### 4 CountDownLatch （倒计时器）
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`CountDownLatch` 允许 `count` 个线程阻塞在一个地方，直至所有线程的任务都执行完毕。
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`CountDownLatch` 是共享锁的一种实现,它默认构造 AQS 的 `state` 值为 `count`。当线程使用 `countDown()` 方法时,其实使用了`tryReleaseShared`方法以 CAS 的操作来减少 `state`,直至 `state` 为 0 。当调用 `await()` 方法的时候，如果 `state` 不为 0，那就证明任务还没有执行完毕，`await()` 方法就会一直阻塞，也就是说 `await()` 方法之后的语句不会被执行。然后，`CountDownLatch` 会自旋 CAS 判断 `state == 0`，如果 `state == 0` 的话，就会释放所有等待的线程，`await()` 方法之后的语句得到执行。
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`CountDownLatch` 是共享锁的一种实现,它默认构造 AQS 的 `state` 值为 `count`。当线程使用 `countDown()` 方法时,其实使用了`tryReleaseShared`方法以 CAS 的操作来减少 `state`,直至 `state` 为 0 。当调用 `await()` 方法的时候，如果 `state` 不为 0，那就证明任务还没有执行完毕，`await()` 方法就会一直阻塞，也就是说 `await()` 方法之后的语句不会被执行。然后，`CountDownLatch` 会自旋 CAS 判断 `state == 0`，如果 `state == 0` 的话，就会释放所有等待的线程，`await()` 方法之后的语句得到执行。
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#### 4.1 CountDownLatch 的两种典型用法
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1. 某一线程在开始运行前等待 n 个线程执行完毕。将 CountDownLatch 的计数器初始化为 n ：`new CountDownLatch(n)`，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减 1 `countdownlatch.countDown()`，当计数器的值变为 0 时，在`CountDownLatch上 await()` 的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。
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2. 实现多个线程开始执行任务的最大并行性。注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的 `CountDownLatch` 对象，将其计数器初始化为 1 ：`new CountDownLatch(1)`，多个线程在开始执行任务前首先 `coundownlatch.await()`，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为 0，多个线程同时被唤醒。
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1. 某一线程在开始运行前等待 n 个线程执行完毕。将 `CountDownLatch` 的计数器初始化为 n ：`new CountDownLatch(n)`，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减 1 `countdownlatch.countDown()`，当计数器的值变为 0 时，在`CountDownLatch上 await()` 的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。
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2. 实现多个线程开始执行任务的最大并行性。注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的 `CountDownLatch` 对象，将其计数器初始化为 1 ：`new CountDownLatch(1)`，多个线程在开始执行任务前首先 `coundownlatch.await()`，当主线程调用 `countDown()` 时，计数器变为 0，多个线程同时被唤醒。
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#### 4.2 CountDownLatch 的使用示例
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@ -393,27 +393,27 @@ for (int i = 0; i < threadCount-1; i++) {
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这样就导致 `count` 的值没办法等于 0，然后就会导致一直等待。
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如果对 CountDownLatch 源码感兴趣的朋友，可以查看： [【JUC】JDK1.8 源码分析之 CountDownLatch（五）](https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5406191.html)
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如果对 `CountDownLatch` 源码感兴趣的朋友，可以查看： [【JUC】JDK1.8 源码分析之 CountDownLatch（五）](https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5406191.html)
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#### 4.3 CountDownLatch 的不足
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CountDownLatch 是一次性的，计数器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当 CountDownLatch 使用完毕后，它不能再次被使用。
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`CountDownLatch` 是一次性的，计数器的值只能在构造方法中初始化一次，之后没有任何机制再次对其设置值，当 `CountDownLatch` 使用完毕后，它不能再次被使用。
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#### 4.4 CountDownLatch 相常见面试题
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解释一下 CountDownLatch 概念？
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解释一下 `CountDownLatch` 概念？
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CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的不同之处？
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`CountDownLatch` 和 `CyclicBarrier` 的不同之处？
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给出一些 CountDownLatch 使用的例子？
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给出一些 `CountDownLatch` 使用的例子？
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CountDownLatch 类中主要的方法？
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`CountDownLatch` 类中主要的方法？
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### 5 CyclicBarrier(循环栅栏)
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CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。
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`CyclicBarrier` 和 `CountDownLatch` 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 `CountDownLatch` 更加复杂和强大。主要应用场景和 `CountDownLatch` 类似。
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> CountDownLatch 的实现是基于 AQS 的，而 CycliBarrier 是基于 ReentrantLock(ReentrantLock 也属于 AQS 同步器)和 Condition 的.
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> `CountDownLatch` 的实现是基于 AQS 的，而 `CycliBarrier` 是基于 `ReentrantLock`(`ReentrantLock` 也属于 AQS 同步器)和 `Condition` 的.
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CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier 默认的构造方法是 `CyclicBarrier(int parties)`，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用`await`方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
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@ -436,7 +436,7 @@ public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
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#### 5.1 CyclicBarrier 的应用场景
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CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们用一个 Excel 保存了用户所有银行流水，每个 Sheet 保存一个帐户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个 sheet 里的银行流水，都执行完之后，得到每个 sheet 的日均银行流水，最后，再用 barrierAction 用这些线程的计算结果，计算出整个 Excel 的日均银行流水。
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`CyclicBarrier` 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。比如我们用一个 Excel 保存了用户所有银行流水，每个 Sheet 保存一个帐户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个 sheet 里的银行流水，都执行完之后，得到每个 sheet 的日均银行流水，最后，再用 barrierAction 用这些线程的计算结果，计算出整个 Excel 的日均银行流水。
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#### 5.2 CyclicBarrier 的使用示例
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@ -519,7 +519,7 @@ threadnum:6is finish
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可以看到当线程数量也就是请求数量达到我们定义的 5 个的时候， `await`方法之后的方法才被执行。
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另外，CyclicBarrier 还提供一个更高级的构造函数`CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)`，用于在线程到达屏障时，优先执行`barrierAction`，方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下：
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另外，`CyclicBarrier` 还提供一个更高级的构造函数`CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)`，用于在线程到达屏障时，优先执行`barrierAction`，方便处理更复杂的业务场景。示例代码如下：
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```java
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/**
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@ -597,7 +597,7 @@ threadnum:7is finish
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#### 5.3 `CyclicBarrier`源码分析
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当调用 `CyclicBarrier` 对象调用 `await()` 方法时，实际上调用的是`dowait(false, 0L)`方法。 `await()` 方法就像树立起一个栅栏的行为一样，将线程挡住了，当拦住的线程数量达到 parties 的值时，栅栏才会打开，线程才得以通过执行。
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当调用 `CyclicBarrier` 对象调用 `await()` 方法时，实际上调用的是`dowait(false, 0L)`方法。 `await()` 方法就像树立起一个栅栏的行为一样，将线程挡住了，当拦住的线程数量达到 `parties` 的值时，栅栏才会打开，线程才得以通过执行。
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```java
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public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
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@ -698,18 +698,18 @@ threadnum:7is finish
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**下面这个是国外一个大佬的回答：**
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CountDownLatch 是计数器，只能使用一次，而 CyclicBarrier 的计数器提供 reset 功能，可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从 jdk 作者设计的目的来看，javadoc 是这么描述它们的：
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`CountDownLatch` 是计数器，只能使用一次，而 `CyclicBarrier` 的计数器提供 `reset` 功能，可以多次使用。但是我不那么认为它们之间的区别仅仅就是这么简单的一点。我们来从 jdk 作者设计的目的来看，javadoc 是这么描述它们的：
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> CountDownLatch: A synchronization aid that allows one or more threads to wait until a set of operations being performed in other threads completes.(CountDownLatch: 一个或者多个线程，等待其他多个线程完成某件事情之后才能执行；)
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> CyclicBarrier : A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.(CyclicBarrier : 多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再继续一起执行。)
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对于 CountDownLatch 来说，重点是“一个线程（多个线程）等待”，而其他的 N 个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。而对于 CyclicBarrier，重点是多个线程，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。
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对于 `CountDownLatch` 来说，重点是“一个线程（多个线程）等待”，而其他的 N 个线程在完成“某件事情”之后，可以终止，也可以等待。而对于 `CyclicBarrier`，重点是多个线程，在任意一个线程没有完成，所有的线程都必须等待。
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CountDownLatch 是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而 CyclicBarrier 更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。
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`CountDownLatch` 是计数器，线程完成一个记录一个，只不过计数不是递增而是递减，而 `CyclicBarrier` 更像是一个阀门，需要所有线程都到达，阀门才能打开，然后继续执行。
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### 6 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock
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ReentrantLock 和 synchronized 的区别在上面已经讲过了这里就不多做讲解。另外，需要注意的是：读写锁 ReentrantReadWriteLock 可以保证多个线程可以同时读，所以在读操作远大于写操作的时候，读写锁就非常有用了。
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`ReentrantLock` 和 `synchronized` 的区别在上面已经讲过了这里就不多做讲解。另外，需要注意的是：读写锁 `ReentrantReadWriteLock` 可以保证多个线程可以同时读，所以在读操作远大于写操作的时候，读写锁就非常有用了。
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### 参考
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@ -725,4 +725,4 @@ ReentrantLock 和 synchronized 的区别在上面已经讲过了这里就不多
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