面試必問之AQS原理詳解

面試必問之AQS原理詳解一、AQS簡(jiǎn)介AQS，全稱為AbstractQueuedSynchronizer，是Java并發(fā)編程中一個(gè)非常核心的同步器，用于實(shí)現(xiàn)多種同步功能，如互斥鎖、信號(hào)量、讀寫鎖等。AQS是Java并發(fā)包中很多同步組件的基礎(chǔ)，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等，都是基于AQS實(shí)現(xiàn)的。因此，掌握AQS原理對(duì)于深入理解Java并發(fā)編程至關(guān)重要。二、AQS核心思想AQS的核心思想是，通過一個(gè)內(nèi)部維護(hù)的狀態(tài)（state）和一個(gè)等待隊(duì)列（CLH隊(duì)列），來控制多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問。當(dāng)線程嘗試獲取共享資源時(shí)，如果當(dāng)前狀態(tài)不允許，線程會(huì)被阻塞并加入到等待隊(duì)列中。當(dāng)線程釋放共享資源時(shí)，等待隊(duì)列中的線程會(huì)被喚醒并嘗試獲取共享資源。三、AQS核心組件1.狀態(tài)（state）AQS內(nèi)部維護(hù)一個(gè)int類型的狀態(tài)（state），用于表示當(dāng)前共享資源的訪問狀態(tài)。線程在獲取共享資源時(shí)，需要先獲取狀態(tài)。狀態(tài)可以通過acquire方法獲取，通過release方法釋放。2.等待隊(duì)列（CLH隊(duì)列）AQS內(nèi)部維護(hù)一個(gè)等待隊(duì)列，用于存儲(chǔ)等待獲取共享資源的線程。等待隊(duì)列采用CLH（Craig、Landin和Hagersten）隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，是一種基于單向鏈表的高效隊(duì)列。等待隊(duì)列的頭部是當(dāng)前持有共享資源的線程，尾部是等待獲取共享資源的線程。3.等待節(jié)點(diǎn)（Node）等待隊(duì)列中的每個(gè)元素都是一個(gè)等待節(jié)點(diǎn)（Node），代表一個(gè)等待獲取共享資源的線程。Node內(nèi)部包含線程、等待狀態(tài)等信息。Node與Node之間通過next指針形成單向鏈表。四、AQS核心方法1.acquire(intarg)acquire方法是AQS中最核心的方法，用于嘗試獲取共享資源。該方法會(huì)先嘗試直接獲取資源，如果獲取失敗，則將當(dāng)前線程加入到等待隊(duì)列中，并阻塞線程。當(dāng)線程被喚醒時(shí)，會(huì)再次嘗試獲取資源。該方法支持中斷，即如果線程在等待過程中被中斷，則拋出InterruptedException異常。2.release(intarg)release方法是AQS中的另一個(gè)核心方法，用于釋放共享資源。該方法會(huì)釋放當(dāng)前線程持有的資源，并喚醒等待隊(duì)列中的下一個(gè)線程，使其嘗試獲取資源。該方法不支持中斷。3.hasQueuedPredecessors()hasQueuedPredecessors方法用于判斷當(dāng)前線程是否有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。如果有，則說明當(dāng)前線程不是等待隊(duì)列中的第一個(gè)線程，即還有其他線程在等待獲取資源。五、AQS實(shí)現(xiàn)原理1.獨(dú)占模式獨(dú)占模式是指同一時(shí)間只能有一個(gè)線程獲取共享資源。在獨(dú)占模式下，AQS通過acquire和release方法實(shí)現(xiàn)資源的獨(dú)占訪問。當(dāng)線程嘗試獲取資源時(shí)，如果當(dāng)前狀態(tài)不為0，則線程會(huì)被加入到等待隊(duì)列中并阻塞。當(dāng)線程釋放資源時(shí)，會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的下一個(gè)線程，使其嘗試獲取資源。2.共享模式共享模式是指多個(gè)線程可以同時(shí)獲取共享資源。在共享模式下，AQS通過acquireShared和releaseShared方法實(shí)現(xiàn)資源的共享訪問。當(dāng)線程嘗試獲取資源時(shí)，如果當(dāng)前狀態(tài)允許，則線程可以獲取資源。當(dāng)線程釋放資源時(shí)，會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的下一個(gè)線程，使其嘗試獲取資源。3.條件變量條件變量是AQS中用于線程間通信的一種機(jī)制。AQS內(nèi)部維護(hù)一個(gè)條件隊(duì)列，用于存儲(chǔ)等待某個(gè)條件的線程。當(dāng)線程需要等待某個(gè)條件時(shí)，會(huì)加入到條件隊(duì)列中并阻塞。當(dāng)條件滿足時(shí)，線程會(huì)被喚醒并嘗試獲取資源。面試必問之AQS原理詳解一、AQS工作流程1.線程嘗試獲取共享資源。如果當(dāng)前狀態(tài)允許，則直接獲取資源；否則，線程會(huì)被加入到等待隊(duì)列中并阻塞。2.當(dāng)線程釋放共享資源時(shí)，會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的下一個(gè)線程，使其嘗試獲取資源。3.被喚醒的線程會(huì)再次嘗試獲取資源。如果成功，則線程繼續(xù)執(zhí)行；否則，線程會(huì)被再次加入到等待隊(duì)列中并阻塞。4.如此循環(huán)，直到所有線程都獲取到資源并執(zhí)行完畢。二、AQS實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)1.狀態(tài)的維護(hù)AQS內(nèi)部使用一個(gè)volatileint類型的state變量來維護(hù)共享資源的訪問狀態(tài)。volatile關(guān)鍵字確保了state變量的可見性和有序性，防止多個(gè)線程同時(shí)修改狀態(tài)。2.等待隊(duì)列的維護(hù)AQS內(nèi)部使用一個(gè)Node類型的頭節(jié)點(diǎn)（head）和尾節(jié)點(diǎn)（tail）來維護(hù)等待隊(duì)列。當(dāng)線程嘗試獲取資源失敗時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的Node節(jié)點(diǎn)并將其加入到等待隊(duì)列的尾部。當(dāng)線程釋放資源時(shí)，會(huì)從等待隊(duì)列的頭部取出一個(gè)Node節(jié)點(diǎn)并喚醒對(duì)應(yīng)的線程。3.線程的中斷處理AQS在等待隊(duì)列中加入了中斷處理機(jī)制。當(dāng)線程在等待過程中被中斷時(shí)，會(huì)拋出InterruptedException異常。在acquire方法中，線程在等待隊(duì)列中被喚醒后，會(huì)檢查自身是否被中斷，如果是，則拋出InterruptedException異常。4.線程的公平性AQS支持公平性和非公平性兩種模式。在公平性模式下，線程按照到達(dá)順序獲取資源；在非公平性模式下，新到達(dá)的線程有可能插隊(duì)獲取資源。AQS通過設(shè)置一個(gè)公平性標(biāo)識(shí)（fair）來控制線程的獲取順序。三、AQS應(yīng)用場(chǎng)景1.互斥鎖（ReentrantLock）互斥鎖是一種獨(dú)占鎖，同一時(shí)間只能有一個(gè)線程獲取鎖。ReentrantLock是Java中實(shí)現(xiàn)互斥鎖的一個(gè)類，其內(nèi)部基于AQS實(shí)現(xiàn)。在ReentrantLock中，線程通過調(diào)用lock方法獲取鎖，調(diào)用unlock方法釋放鎖。2.信號(hào)量（Semaphore）信號(hào)量是一種用于控制對(duì)多個(gè)資源的訪問數(shù)量的同步器。Semaphore內(nèi)部基于AQS實(shí)現(xiàn)。在Semaphore中，線程通過調(diào)用acquire方法獲取資源，調(diào)用release方法釋放資源。3.讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock）讀寫鎖是一種允許多個(gè)讀線程同時(shí)訪問共享資源，但同一時(shí)間只能有一個(gè)寫線程訪問共享資源的同步器。ReentrantReadWriteLock是Java中實(shí)現(xiàn)讀寫鎖的一個(gè)類，其內(nèi)部基于AQS實(shí)現(xiàn)。在ReentrantReadWriteLock中，讀線程通過調(diào)用readLock.lock方法獲取讀鎖，寫線程通過調(diào)用writeLock.lock方法獲取寫鎖。四、AQS性能分析1.高效性AQS采用CLH隊(duì)列實(shí)現(xiàn)等待隊(duì)列，具有較高的效率。CLH隊(duì)列是一種無鎖隊(duì)列，避免了鎖的開銷。同時(shí)，AQS內(nèi)部使用volatile關(guān)鍵字和原子操作來保證狀態(tài)的可見性和有序性，提高了并發(fā)性能。2.可擴(kuò)展性AQS的設(shè)計(jì)具有很高的可擴(kuò)展性。通過繼承AQS并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的方法，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種同步器。這使得AQS成為Java并發(fā)編程中一個(gè)非常靈活的同步工具。3.靈活性AQS支持公平性和非公平性兩種模式，可以根據(jù)具體需求選擇合適的模式。同時(shí)，AQS內(nèi)部提供了豐富的鉤子方法，如tryAcquire、tryRelease等，方便用戶自定義同步策略。通過對(duì)AQS原理的深入了解，我們可以更好地理解Java并發(fā)編程中的各種同步器。在面試過程中，掌握AQS原理將有助于我們更好地應(yīng)對(duì)與并發(fā)編程相關(guān)的問題。同時(shí)，在實(shí)際項(xiàng)目中，靈活運(yùn)用AQS可以大大提高程序的性能和穩(wěn)定性。面試必問之AQS原理詳解一、AQS狀態(tài)管理二、AQS線程同步機(jī)制AQS的線程同步機(jī)制主要體現(xiàn)在其獨(dú)占模式和共享模式上。在獨(dú)占模式下，一個(gè)線程在獲取資源后，其他線程必須等待該線程釋放資源才能獲取。而在共享模式下，多個(gè)線程可以同時(shí)獲取資源，直到資源達(dá)到上限。AQS通過acquire和release方法實(shí)現(xiàn)了這兩種模式的轉(zhuǎn)換。三、AQS條件隊(duì)列AQS中還有一個(gè)重要的組件是條件隊(duì)列。條件隊(duì)列用于線程在某些條件下等待。當(dāng)條件不滿足時(shí)，線程可以調(diào)用await方法進(jìn)入條件隊(duì)列等待。當(dāng)條件滿足時(shí)，線程可以調(diào)用signal方法喚醒條件隊(duì)列中的一個(gè)或所有線程。條件隊(duì)列的使用使得線程可以在復(fù)雜的同步場(chǎng)景下進(jìn)行有效的等待和通知。四、AQS在并發(fā)編程中的應(yīng)用AQS是Java并發(fā)包中許多同步組件的基礎(chǔ)，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。這些組件通過繼承AQS并實(shí)現(xiàn)其抽象方法來提供具體的同步功能。例如，ReentrantLock通過重寫tryAcquire和tryRelease方法來實(shí)現(xiàn)鎖的獲取和釋放；Semaphore通過重寫acquireShared和releaseShared方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)量的增加和減少。五、AQS的性能優(yōu)化AQS在性能優(yōu)化方面也做了很多工作。例如，它使用volatile關(guān)鍵字來保證狀態(tài)的可見性，使用CAS操作來保證狀態(tài)更新的原子性。AQS還通過輕量級(jí)的阻塞和喚醒機(jī)制來減少線程切換的開銷，提高系統(tǒng)的吞吐量。六、AQS與鎖的區(qū)別雖然AQS是許多鎖實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，但它本身并不是一個(gè)鎖。AQS是一個(gè)同步框架，提供了同步狀態(tài)的維護(hù)和線程的排隊(duì)機(jī)制。鎖則是建立在AQS之上的具體同步工具，它通過封裝AQS提供的功能來提供更高級(jí)別的同步抽象。七、AQS的未來發(fā)展隨著Java并發(fā)編程的發(fā)展，AQS也在不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。例如，Java