面试官问我懂不懂AQS和ReentrantLock,我把这篇文章甩给他

2022-03-31 15:02:19 浏览数 (2)

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0. Lock与AQS类图

1. Lock接口

1.1 Lock的定义

Lock接口定义了锁的API操作，用于实现java中锁机制

代码语言：javascript复制
public interface Lock {
​
    //如果锁可用，则获得锁后返回
    //如果锁不可用，那么当前线程会阻塞，直到获取锁后才会返回
    void lock();
    
    //可中断的获取锁(获得锁的过程可中断)
    //如果锁可用，则获得锁后返回
    //如果锁不可用，那么线程会阻塞获取锁，阻塞获取锁的过程是可中断的，受到中断会抛出InterruptedException
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    
    //非阻塞的尝试获得锁
    //如果锁可用，获得锁后，返回true
    //如果锁不可用，返回false
    boolean tryLock();
​
    //尝试获取锁(获得锁的过程可中断)
    //如果锁可用，获得锁后，返回true
    //如果锁不可用，那么在指定时间内会不断的尝试获得锁
    //如果成功获得锁——返回true
    //如果被中断——抛出InterruptedException
    //如果超时——返回false
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
​
    //释放锁
    void unlock();
​
    //获取Condition对象，Condition对象与当前Lock对象绑定，当前线程只有获得了锁
    //才能调用该Condition对象的await()方法，而调用后，当前线程将释放锁，进入Conditon对象的等待队列中WATING
    //当其他线程调用Condition对象的signal()，才会唤醒Condition对象的等待队列中的WATING线程
    Condition newCondition();
}

1.2 Lock与sychronized的异同

  • 共同点
    • Lock的子类中有可重入锁
  • 区别
    • Lock显式的获取锁与释放锁 sychronized隐式的获取锁与释放锁
    • Lock只能给代码块上锁 sychronized可以给代码块，方法上锁
    • Lock依赖JDK实现 sychronized依赖JVM实现
    • Lock有独占模式与共享模式，每个模式还分公平锁与非公平锁 sychronized是独占模式的非公平锁
    • Lock是可中断的，线程在获得锁的过程中是可以影响中断 sychronized不可中断，线程在阻塞等待锁的释放的时候，是不会响应中断的
    • Lock可以设定超时时间，超时会返回 sychronized不行

2. Condition接口

2.1 Condition接口定义

代码语言：javascript复制
//Condition对象——1.相当于一个等待队列  2.必须与一个锁实例绑定  3.一个锁实例可以有多个Condition对象
//相当于monitor对象的WaitSet
//必须持有Condition对象绑定的锁，才可以调用其方法
public interface Condition {
​
    //相当于Object.wait()，可中断
    //持有锁的线程释放锁，进入等待队列中，线程状态更变为WATING，直到以下2种情况醒来
    //1.有其他线程调用等待队列的signal()或signalAll()
    //2.被其他线程中断
    //醒来后的线程会从等待队列移动到锁实例的同步队列，状态由WAITING更改为BLOKING
    void await() throws InterruptedException;
​
    //同await()，但是不可中断
    void awaitUninterruptibly();
​
​
    //同 await(),但是多了一种唤醒情况——等待超时（单位纳秒）
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
​
    //同 await(),但是多了一种唤醒情况——等待超时
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
​
   
    //同 await(),但是多了一种唤醒情况——等待超时
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
​
    //将等待队列中的首节点移动到锁实例的同步队列，然后通过LockSupport唤醒线程
    void signal();
​
    //将等待队列中的全部节点移动到锁实例的同步队列，然后通过LockSupport唤醒线程
    void signalAll();
}
​

2.2 Condition与monitor的区别

  • Condition——等待队列中等待的线程是可响应中断的 monitor——等待队列中等待的线程不可响应中断
  • Condition————等待队列中的线程可以指定等待到未来的某个具体时间点 monitor——不支持

3. AQS

3.1 AQS介绍

AbstractQueuedSynchronizer抽象队列同步器——用于构建锁或其他同步组件的基础框架

子类通过继承AQS并实现它的抽象方法来实现锁

AQS支持两种模式——独占模式，共享模式

3.2 AQS结构

AOS的核心字段——exclusiveOwnerThread

  • 独占模式下，持有锁的线程

AQS最核心字段——state

  • state用于表示同步器的状态(可称为同步状态)
  • AQS的不同子类对state的运用不同
    • 对于ReentrantLock
      • state=0——表示同步器没有被占用(没有线程持有锁) state!=0——表示同步器已被占用(有线程正在使用锁)
      • 尝试获取锁——检查state的值是否为0，如果为0尝试用CAS修改其值，如果不为0—则未取得锁 尝试释放锁——将state的值CAS修改为0
    • 对于CountDownLatch，CyclicBarrier
      • state有不同的运用

Node的状态——waitStatus

  • CANCELLED(1)：同步队列中的节点被中断或者超时
  • INITIAL(0)：初始化状态
  • SIGNAL(-1)：
  • CONDITION(-2)：表示节点在等待队列中
  • PROPAGATE(-3):

AQS有5个方法供子类锁去实现

  • 独占模式
    • boolean tryAcquire()
    • boolean tryRelease()
    • boolean IsHeldExclusively()
  • 共享模式
    • boolean tryAcquireShared()
    • boolean tryReleaseShared()

3.3 AQS独占模式

AQS独占模式下

  • 同步队列的首节点持有锁
  • 如果线程尝试获取锁失败，那么会封装成一个Node，然后加入同步队列，并开始自旋
  • 节点从同步队列移除的条件——前继节点为首节点 and 成功获得锁
  • 节点释放锁时——会唤醒其后继节点
3.3.1 获取锁

同步队列中，只有当节点的前继节点是首节点，才能尝试取得锁，原因如下

  1. 首节点是取得锁的节点，首节点释放锁后，会唤醒其后继节点 后继节点被唤醒后需要检查自己的前继节点是否为首节点
  2. 维护同步队列的FIFO原则
3.3.2 释放锁

3.3.3 超时获取锁

过程基本与获取锁相同

区别在于

  1. 每次自旋操作，在判断自己是否需要被阻塞之前，会优先判断是否已超时，如果超时了，就返回false
  2. 如果需要被阻塞，还会检查剩余的时间有没有大于阈值 如果大于阈值——通过LockSupport让线程进行超时阻塞 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);

3.4 AQS共享模式

3.4.1 共享模式与独占模式的区别

共享模式与独占模式的区别在于——同一时刻是否有多个线程可以同时获取到锁

  • 共享模式访问资源——其他共享式访问允许，独占式访问不允许
  • 独占模式访问资源——其他访问一律不允许，被阻塞
3.4.2 共享模式获得锁

3.4.3 共享模式释放锁

4. ReentrantLock实现AQS的独占模式

4.1 ReentrantLock介绍

可重入：任意线程获得锁后能够再次获取该锁而不会被锁阻塞

ReentrantLock实现了AQS的独占模式，是一个可重入锁，还分为 公平锁与 非公平锁

  • 公平锁：先对锁进行获取请求的线程一定先获得锁
  • 非公平锁

非公平锁的效率高于公平锁

非公平锁可能出现 线程饥饿问题——部分线程迟迟无法获得资源

ReentrantLock大多数方法的实现都是Sync及其子类来完成，ReentrantLock只是对外暴露了接口

4.2 ReentrantLock获得锁

4.2.1 非公平锁

4.2.2 公平锁

4.2.3 公平锁与非公平锁的不同

FairSync和NonfairSync的 lock() 和 tryAcquire() 逻辑不同

  1. 非公平锁在lock()方法的开始就会尝试去通过CAS修改同步状态以获得锁，公平锁不会
  2. 在自旋时，非公平锁和公平锁都会在前继节点为同步队列首节点时，调用tryAcquire()尝试获取锁 在 tryAcquire()中，如果state为0，那么非公平锁不会关心节点在同步队列中的位置，直接尝试CAS修改state获得锁；但是非公平锁关心节点的位置，会检查是否有前继节点，如果有，就会放弃

上述2点保证了公平锁一定是——先对锁进行获取请求的线程一定先获得锁，而非公平锁不一定

4.3 ReentrantLock释放锁

公平锁释放锁与非公平锁释放锁采用同一个逻辑

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