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Java多线程（6）：锁与AQS（下）

标签：
Java

您好，我是湘王，这是我的慕课手记，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：

https://img3.sycdn.imooc.com/635e75ab0001121405970614.jpg


 

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～




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发表于 2022.10.31 06:47， 共 579 人浏览

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