一、AQS
1、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
2、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。
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。
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。
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
AQS实现的具体方式如下:
3、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。(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)
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:
(1)isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
(2)tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
(3)tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
(4)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。
(5)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。
以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。
在acquire() acquireShared()两种方式下,线程在等待队列中都是忽略中断的,acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()是支持响应中断的。
二、CAS
1、什么是CAS
CAS:Compare and Swap,即比较交换;
jdk1.5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。jdk1.5之前java语言是靠synchronized关键字保证 同步的,这是一种独占锁,也是悲观锁;
2、CAS算法理解
2.1 与锁相比
使用比较交换会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性,它对死锁问题天生免疫,并且,线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小;更为要 的是,使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销,也没有线程间频繁调度带来的开销;因此,它要比基于锁的方式拥有更优越的性能;
2.2 无锁的好处:
2.2.1 在高并发情况下,它比有锁的程序拥有更好的性能;
2.2.2 它天生就是死锁免疫的;
2.3 CAS算法的过程:
它包含三个参数CAS(V,E,N):V表示更新的变量,E表示预期值,N表示新值;
2.3.1 线程访问时,先会将主内存中的数据同步到线程的工作内存当中
2.3.2 假设线程A和线程B都有对数据进行更改,那么假如线程A先获取到执行权限
2.3.3 线程A先会对比工作内存当中的数据和主内存当中的数据是否一致,如果一致(V==E)则进行更新,不一致则刷新数据,重新循环判断
2.3.4 这时更新完毕后,线程B也要进行数据更新,主内存数据和工作内存数据做对比,如果一致则进行更新,不一致则将主内存数据重新更新到工作内存,然 环再次对比两个内存中的数据直到一致为止
2.4 CAS操作是抱着乐观的态度进行的
它总是认为自己可以成功完成操作;当多个线程同时使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失 败;失败的线程不会被挂起,仅是被 告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作;基于这样的原理,CAS操作即使没有锁,也可以发现其他线程对当前线程的干扰,并进行恰当的处 理;
2.5 简单的说
CAS需要你额外给出一个期望值,也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的;如果变量不是你想象的那样,那说明它已经被别人修改过了;你就要重新读取, 再次尝试修改就好了;
2.6 在硬件层面
大部分的现代处理器都已经支持原子性的CAS指令;在jdk1.5以后,虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构,并且,这种操作在虚拟机中可以 说是无处不在;
3.CAS缺点
CAS存在一个很明显的问题,即ABA问题;
问题:如果变量V初次读取的时候是A,并且在准备赋值的时候检查到它任然是A,那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗?
如果在这段时间曾经被改成B,然后有改回A,那CAS操作就会误任务它从来没有被修改过。正对这种情况,java并发包提供了一个带有标记的原子应用类 AtomicStampedRefernce,它可以通过变量值的版本来保证CAS的正确性;
4.原子类
java中的原子类大致可以分为四个类:
原子更新基本类型;
原子更新数组类型;
原子更新引用类型;
原子更新属性类型;
这些原子类中都是用了无锁的概念,有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class AtomicIntegerTest implements Runnable { private static Integer count=1; private static AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger(); @Override public void run() { while (true){ int count=getCountAtomic(); System.out.println(count); if (count>=150){ break; } } } public synchronized Integer getCount(){ try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return count++; } public Integer getCountAtomic(){ try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return atomicInteger.incrementAndGet(); } public static void main(String[] args){ AtomicIntegerTest test = new AtomicIntegerTest(); Thread thread1 = new Thread(test); Thread thread2 = new Thread(test); thread1.start(); thread2.start(); } }
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