Java多线程（6）：锁与AQS（下）

2022 年 10 月 31 日
笔记
AQS, JAVA, 多线程, 技术

您好，我是湘王，这是我的博客园，欢迎您来，欢迎您再来～

之前说过，AQS（抽象队列同步器）是Java锁机制的底层实现。既然它这么优秀，是骡子是马，就拉出来溜溜吧。

首先用重入锁来实现简单的累加，就像这样：

/**
 * 用重入锁实现累加
 *
 * @author 湘王
 */
public class MyLockTest {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int value;
    public int getNext() {
        lock.lock();
        try {
            value++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return value;
    }
    public static void main(String[] args) {
        MyLockTest myLock = new MyLockTest();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 5; i++) {
                        System.out.println(myLock.getNext());
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行结果显示数据有重复：

这么简单的计算都能出现重复，这肯定是无法接受的。

再用独占锁来试试看：

/**
 * 利用AQS实现自定义独占锁
 *
 * @author 湘王
 */
public class MyExclusiveLock implements Lock {
    @Override
    public void lock() {

    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {

    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return false;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return false;
    }

    @Override
    public void unlock() {

    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }
}

可以看到，实现lock接口，就需要实现若干自定义的接口。然后以内部类继承AQS的方式，实现排他锁，昨天也说过，AQS中tryAcquire()和tryRelease()是一一对应的，也就是也管获取，一个管释放，所以代码是：

/**
 * 内部类继承AQS的方式，实现排他锁
 */
private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = -7666580981453962426L;

    /**
     * 第一个线程进来，拿到锁就返回true；后面的线程进来，拿不到锁就返回false
     */
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        // 获取资源状态
        int state = getState();
        if (0 == state) {// 如果没有线程拿到资源的锁
            if (compareAndSetState(0, arg)) {
                // 保存当前持有同步锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
        } else if (Thread.currentThread() == getExclusiveOwnerThread()) {
            // 如果当前线程再次进来，state + 1，可重入
            // 如果这里没有这个判断，那么程序会卡死
            setState(state + arg);
            return true;
        }
        return false;
    }

    /**
     * 锁的获取和释放需要一一对应
     */
    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        // 获取资源状态
        int state = getState();
        // 返回最后一个通过setExclusiveOwnerThread()方法设置过的线程，或者null
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
            throw new RuntimeException();
        }
        setState(state - arg);
        if (0 == state) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            return true;
        }
        return false;
    }

    protected Condition newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }
}

然后再用AQS实现lock接口的方法：

/**
 * 利用AQS实现自定义独占锁
 *
 * @author 湘王
 */
public class MyExclusiveLock implements Lock {
    private final SyncHelper synchepler = new SyncHelper();

    @Override
    public void lock() {
        synchepler.acquire(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        synchepler.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return synchepler.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return synchepler.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
        synchepler.release(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return synchepler.newCondition();
    }

    /**
     * 内部类继承AQS的方式，实现排他锁
     */
    private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -7666580981453962426L;
    
        /**
         * 第一个线程进来，拿到锁就返回true；后面的线程进来，拿不到锁就返回false
         */
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            // 获取资源状态
            int state = getState();
            if (0 == state) {// 如果没有线程拿到资源的锁
                if (compareAndSetState(0, arg)) {
                    // 保存当前持有同步锁的线程
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                }
            } else if (Thread.currentThread() == getExclusiveOwnerThread()) {
                // 如果当前线程再次进来，state + 1，可重入
                // 如果这里没有这个判断，那么程序会卡死
                setState(state + arg);
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        /**
         * 锁的获取和释放需要一一对应
         */
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            // 获取资源状态
            int state = getState();
            // 返回最后一个通过setExclusiveOwnerThread()方法设置过的线程，或者null
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
                throw new RuntimeException();
            }
            setState(state - arg);
            if (0 == state) {
                setExclusiveOwnerThread(null);
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        protected Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }
}

然后再运行测试：

/**
 * 实现Lock接口方法并运行排他锁测试
 *
 * @author 湘王
 */
public class MyExclusiveLockTester {
    // 用自定义AQS独占锁实现
    private Lock lock = new MyExclusiveLock();
    private int value;

    public int accmulator() {
        lock.lock();
        try {
            ++value;
        } finally {
            lock.unlock();
        }

        return value;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyExclusiveLockTester test = new MyExclusiveLockTester();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 5; i++) {
                        System.out.println(test.accmulator());
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

可以看到，结果无论怎么样都不会再重复了。

这个只是简单的累加，接下来用AQS来实现一个实际的生活场景。比如周末带女票或男票去步行街吃饭，这时候人特别多，需要摇号，而且一次只能进去三张号（不按人头算，按叫到的号来算），该怎么实现呢？

可以顺着这个思路：摇号机虽有很多号，但它本质上是个共享资源，很多人可以共享，但是每次共享的数量有限。这其实就是个可以指定数量的共享锁而已。

既然有了思路，那接下来就好办了。

/**
 * 利用AQS实现自定义共享锁
 *
 * @author 湘王
 */
public class MyShareLock implements Lock {
    @Override
    public void lock() {
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return false;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return false;
    }

    @Override
    public void unlock() {
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }
}

还是一样实现Lock接口，但这次是用AQS实现共享锁。

/**
 * 内部类继承AQS实现共享锁
 *
 */
private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = -7357716912664213942L;

    /**
     * count表示允许几个线程能同时获得锁
     */
    public SyncHelper(int count) {
        if (count <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("锁资源数量必须大于0");
        }
        // 设置资源总数
        setState(count);
    }

    /**
     * 一次允许多少个线程进来，允许数量的线程都能拿到锁，其他的线程进入队列
     */
    @Override
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        // 自旋
        for (;;) {
            int state = getState();
            int remain = state - acquires;
            // 判断剩余锁资源是否已小于0或者CAS执行是否成功
            if (remain < 0 || compareAndSetState(state, remain)) {
                return remain;
            }
        }
    }

    /**
     * 锁资源的获取和释放要一一对应
     */
    @Override
    protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
        // 自旋
        for (;;) {
            // 获取当前state
            int current = getState();
            // 释放状态state增加releases
            int next = current + releases;
            if (next < current) {// 溢出
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            }
            // 通过CAS更新state的值
            // 这里不能用setState()
            if (compareAndSetState(current, next)) {
                return true;
            }
        }
    }

    protected Condition newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }
}

然后再来改造之前实现的接口：

/**
 * 利用AQS实现自定义共享锁
 *
 * @author 湘王
 */
public class MyShareLock implements Lock {
    public static int count;
    private final SyncHelper synchepler = new SyncHelper(count);

    @Override
    public void lock() {
        synchepler.acquireShared(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        synchepler.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return synchepler.tryAcquireShared(1) > 0;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return synchepler.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
        synchepler.releaseShared(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return synchepler.newCondition();
    }

    /**
     * 内部类继承AQS实现共享锁
     *
     */
    private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -7357716912664213942L;

        /**
         * count表示允许几个线程能同时获得锁
         */
        public SyncHelper(int count) {
            if (count <= 0) {
                throw new IllegalArgumentException("锁资源数量必须大于0");
            }
            // 设置资源总数
            setState(count);
        }

        /**
         * 一次允许多少个线程进来，允许数量的线程都能拿到锁，其他的线程进入队列
         */
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            // 自旋
            for (;;) {
                int state = getState();
                int remain = state - acquires;
                // 判断剩余锁资源是否已小于0或者CAS执行是否成功
                if (remain < 0 || compareAndSetState(state, remain)) {
                    return remain;
                }
            }
        }

        /**
         * 锁资源的获取和释放要一一对应
         */
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // 自旋
            for (;;) {
                // 获取当前state
                int current = getState();
                // 释放状态state增加releases
                int next = current + releases;
                if (next < current) {// 溢出
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                }
                // 通过CAS更新state的值
                // 这里不能用setState()
                if (compareAndSetState(current, next)) {
                    return true;
                }
            }
        }

        protected Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }
}

接下来就该测试咱们需要的效果是否能实现了：

public class MyShareLockTester {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 用自定义AQS共享锁实现
        // 一次允许发放三把锁
        MyShareLock.count = 3;
        final Lock lock = new MyShareLock();

        // 模拟20个客户端访问
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        lock.lock();
                        System.out.println("持有 " + Thread.currentThread().getName() + " 的客人可以进餐厅就餐");
                        // 每两次叫号之间间隔一段时间，模拟真实场景
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        // 使用完成释放锁
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

这里有20个号，每次只能发放3张，运行之后就可以看到确实如此。

AQS是个很神奇也很好玩的东西，就像它的作者（也是除了高司令就是对Java影响最大的那个人，整个Java的多线程juc包代码就是他编写的）Doug Lea在AbstractQueuedSynchronizer的注释中所说：AQS只是一个框架，至于怎么玩，就是你的事了！

感谢您的大驾光临！咨询技术、产品、运营和管理相关问题，请关注后留言。欢迎骚扰，不胜荣幸～

Tags: AQS JAVA 多线程技术

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