Java多執行緒（6）：鎖與AQS（下）
2022-10-31 09:00:11
您好，我是湘王，這是我的部落格園，歡迎您來，歡迎您再來～
之前說過，AQS（抽象佇列同步器）是Java鎖機制的底層實現。既然它這麼優秀，是騾子是馬，就拉出來溜溜吧。
首先用重入鎖來實現簡單的累加，就像這樣：
/**
* 用重入鎖實現累加
*
* @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();
}
}
}
執行結果顯示資料有重複：
這麼簡單的計算都能出現重複，這肯定是無法接受的。
再用獨佔鎖來試試看：
/**
* 利用AQS實現自定義獨佔鎖
*
* @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，實現lock介面，就需要實現若干自定義的介面。然後以內部類繼承AQS的方式，實現排他鎖，昨天也說過，AQS中tryAcquire()和tryRelease()是一一對應的，也就是也管獲取，一個管釋放，所以程式碼是：
/**
* 內部類繼承AQS的方式，實現排他鎖
*/
private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -7666580981453962426L;
/**
* 第一個執行緒進來，拿到鎖就返回true；後面的執行緒進來，拿不到鎖就返回false
*/
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
// 獲取資源狀態
int state = getState();
if (0 == state) {// 如果沒有執行緒拿到資源的鎖
if (compareAndSetState(0, arg)) {
// 儲存當前持有同步鎖的執行緒
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
} else if (Thread.currentThread() == getExclusiveOwnerThread()) {
// 如果當前執行緒再次進來，state + 1，可重入
// 如果這裡沒有這個判斷，那麼程式會卡死
setState(state + arg);
return true;
}
return false;
}
/**
* 鎖的獲取和釋放需要一一對應
*/
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
// 獲取資源狀態
int state = getState();
// 返回最後一個通過setExclusiveOwnerThread()方法設定過的執行緒，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();
}
}
然後再用AQS實現lock介面的方法：
/**
* 利用AQS實現自定義獨佔鎖
*
* @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();
}
/**
* 內部類繼承AQS的方式，實現排他鎖
*/
private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -7666580981453962426L;
/**
* 第一個執行緒進來，拿到鎖就返回true；後面的執行緒進來，拿不到鎖就返回false
*/
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
// 獲取資源狀態
int state = getState();
if (0 == state) {// 如果沒有執行緒拿到資源的鎖
if (compareAndSetState(0, arg)) {
// 儲存當前持有同步鎖的執行緒
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
} else if (Thread.currentThread() == getExclusiveOwnerThread()) {
// 如果當前執行緒再次進來，state + 1，可重入
// 如果這裡沒有這個判斷，那麼程式會卡死
setState(state + arg);
return true;
}
return false;
}
/**
* 鎖的獲取和釋放需要一一對應
*/
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
// 獲取資源狀態
int state = getState();
// 返回最後一個通過setExclusiveOwnerThread()方法設定過的執行緒，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();
}
}
}
然後再執行測試：
/**
* 實現Lock介面方法並執行排他鎖測試
*
* @author 湘王
*/
public class MyExclusiveLockTester {
// 用自定義AQS獨佔鎖實現
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，結果無論怎麼樣都不會再重複了。
這個只是簡單的累加，接下來用AQS來實現一個實際的生活場景。比如週末帶女票或男票去步行街吃飯，這時候人特別多，需要搖號，而且一次只能進去三張號（不按人頭算，按叫到的號來算），該怎麼實現呢？
可以順著這個思路：搖號機雖有很多號，但它本質上是個共用資源，很多人可以共用，但是每次共用的數量有限。這其實就是個可以指定數量的共用鎖而已。
既然有了思路，那接下來就好辦了。
/**
* 利用AQS實現自定義共用鎖
*
* @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;
}
}
還是一樣實現Lock介面，但這次是用AQS實現共用鎖。
/**
* 內部類繼承AQS實現共用鎖
*
*/
private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -7357716912664213942L;
/**
* count表示允許幾個執行緒能同時獲得鎖
*/
public SyncHelper(int count) {
if (count <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("鎖資源數量必須大於0");
}
// 設定資源總數
setState(count);
}
/**
* 一次允許多少個執行緒進來，允許數量的執行緒都能拿到鎖，其他的執行緒進入佇列
*/
@Override
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 自旋
for (;;) {
int state = getState();
int remain = state - acquires;
// 判斷剩餘鎖資源是否已小於0或者CAS執行是否成功
if (remain < 0 || compareAndSetState(state, remain)) {
return remain;
}
}
}
/**
* 鎖資源的獲取和釋放要一一對應
*/
@Override
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 自旋
for (;;) {
// 獲取當前state
int current = getState();
// 釋放狀態state增加releases
int next = current + releases;
if (next < current) {// 溢位
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
}
// 通過CAS更新state的值
// 這裡不能用setState()
if (compareAndSetState(current, next)) {
return true;
}
}
}
protected Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
然後再來改造之前實現的介面：
/**
* 利用AQS實現自定義共用鎖
*
* @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();
}
/**
* 內部類繼承AQS實現共用鎖
*
*/
private static class SyncHelper extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -7357716912664213942L;
/**
* count表示允許幾個執行緒能同時獲得鎖
*/
public SyncHelper(int count) {
if (count <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("鎖資源數量必須大於0");
}
// 設定資源總數
setState(count);
}
/**
* 一次允許多少個執行緒進來，允許數量的執行緒都能拿到鎖，其他的執行緒進入佇列
*/
@Override
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 自旋
for (;;) {
int state = getState();
int remain = state - acquires;
// 判斷剩餘鎖資源是否已小於0或者CAS執行是否成功
if (remain < 0 || compareAndSetState(state, remain)) {
return remain;
}
}
}
/**
* 鎖資源的獲取和釋放要一一對應
*/
@Override
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 自旋
for (;;) {
// 獲取當前state
int current = getState();
// 釋放狀態state增加releases
int next = current + releases;
if (next < current) {// 溢位
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
}
// 通過CAS更新state的值
// 這裡不能用setState()
if (compareAndSetState(current, next)) {
return true;
}
}
}
protected Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
}
接下來就該測試咱們需要的效果是否能實現了：
public class MyShareLockTester {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 用自定義AQS共用鎖實現
// 一次允許發放三把鎖
MyShareLock.count = 3;
final Lock lock = new MyShareLock();
// 模擬20個使用者端存取
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() + " 的客人可以進餐廳就餐");
// 每兩次叫號之間間隔一段時間，模擬真實場景
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 使用完成釋放鎖
lock.unlock();
}
}
}).start();
}
}
}
這裡有20個號，每次只能發放3張，執行之後就可以看到確實如此。
AQS是個很神奇也很好玩的東西，就像它的作者（也是除了高司令就是對Java影響最大的那個人，整個Java的多執行緒juc包程式碼就是他編寫的）Doug Lea在AbstractQueuedSynchronizer的註釋中所說：AQS只是一個框架，至於怎麼玩，就是你的事了！
感謝您的大駕光臨！諮詢技術、產品、運營和管理相關問題，請關注後留言。歡迎騷擾，不勝榮幸～