Java并发编程之AQS锁原理深度解析
在Java并发编程中，锁是实现线程同步的重要工具。而AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）是Java并发编程中一个非常重要的概念，它提供了构建锁的基础。本文将深入解析AQS锁的原理，帮助读者更好地理解Java并发编程。
一、AQS简介
AQS是Java并发包中的一个核心抽象类，它提供了构建锁、同步器、信号量等并发工具的基础。AQS通过维护一个共享资源和一个等待队列来实现线程同步。
共享资源：表示被线程共享的资源，如锁的状态。
等待队列：当一个线程请求资源但无法获得时，它会被放入等待队列中，等待其他线程释放资源。
二、AQS核心概念
1. 状态变量
AQS使用一个volatile类型的变量state来表示共享资源的状态。当线程请求资源时，会检查state的值，如果满足条件，则获取资源；否则，线程会等待。
2. 等待队列
AQS使用一个FIFO队列（CLH队列）来维护等待获取资源的线程。当一个线程请求资源失败时，它会将自己加入等待队列，并释放锁的所有权。
3. 非阻塞获取资源
AQS提供了非阻塞获取资源的操作，即CAS（Compare-And-Swap）操作。当线程尝试获取资源时，它会使用CAS操作来更新state的值。
4. 阻塞获取资源
AQS提供了阻塞获取资源的操作，即acquire操作。当一个线程请求资源失败时，它会调用acquire操作，该操作会将线程放入等待队列，并释放锁的所有权。
5. 释放资源
AQS提供了释放资源的操作，即release操作。当一个线程释放资源时，它会调用release操作，该操作会唤醒等待队列中的第一个线程。
三、AQS实现锁
AQS提供了两种锁的实现：独占锁和共享锁。
1. 独占锁
独占锁是指一次只有一个线程可以获取资源。ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock的写锁都是基于独占锁实现的。
以下是一个基于AQS的独占锁实现示例：
```java
public class ReentrantLock implements Lock {
private final AQS sync = new ReentrantLockSync();
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
private static final class ReentrantLockSync extends AQS {
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) {
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
}
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (c == 0) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
return false;
}
}
}
```
2. 共享锁
共享锁是指允许多个线程同时获取资源。ReentrantReadWriteLock的读锁和写锁都是基于共享锁实现的。
以下是一个基于AQS的共享锁实现示例：
```java
public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock {
private final AQS sync = new ReentrantReadWriteLockSync();
public void readLock() {
sync.acquireShared(1);
}
public void readUnlock() {
sync.releaseShared(1);
}
public void writeLock() {
sync.acquire(1);
}
public void writeUnlock() {
sync.release(1);
}
private static final class ReentrantReadWriteLockSync extends AQS {
@Override
protected boolean tryAcquireShared(int acquires) {
for (Thread t = Thread.currentThread(); ; ) {
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(t);
return true;
}
} else if (getExclusiveOwnerThread() == t) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) {
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
}
setState(nextc);
return true;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(t, fullQueued)) {
Thread.yield();
}
}
}
@Override
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (Thread t = Thread.currentThread(); ; ) {
int c = getState();
if (c == 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
int nextc = c - releases;
if (nextc == 0) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
if (compareAndSetState(c, nextc)) {
return true;
}
}
}
}
}
```
四、总结
本文深入解析了Java并发编程中的AQS锁原理，包括AQS的核心概念、实现锁、独占锁和共享锁等。通过理解AQS的原理，可以帮助我们更好地构建高效的并发程序。在实际开发中，我们可以根据需求选择合适的锁来实现线程同步。
