深入理解Java并发框架AQS系列（二）：AQS框架简介及锁概念

深入理解Java并发框架AQS系列（一）：线程

深入理解Java并发框架AQS系列（二）：AQS框架简介及锁概念

一、AQS框架简介

AQS诞生于Jdk1.5，在当时低效且功能单一的synchronized的年代，某种意义上讲，她拯救了Java

注：本系列文章所有测试用例均基于jdk1.8，操作系统为macOS

1.1、思考

我们去学习一个知识点或开启一个新课题时，最好是带着问题去学习，这样针对性比较强，且印象比较深刻，主动思考带给我们带来了无穷的好处

抛开AQS，设想以下问题：

• Q：如果我们遇到 thread 无法获取所需资源时，该如何操作？
• A：不断重试呗，一旦资源释放可快速尝试获取
• Q：那如果资源持有时长较长，不断循环获取，是否比较浪费CPU ？
• A：的确，那就让线程休息1秒钟，再尝试获取，这样就不会导致CPU空转了
• Q：那如果资源在第0.1秒时被释放，那线程岂不是要白白等待0.9秒了 ？
• A：实在不行就让当前线程挂起，等释放资源的线程去通知当前线程，这样就不存在等待时间长短的问题了
• Q：但如果资源持有时间很短，每次都挂起、唤醒线程成为了一个很大的开销
• A：那就依情况而定，lock时间短的，就不断循环重试，时间长的就挂起
• Q：如何界定lock的时间长短？还有就是如果lock的时间不固定，也无法预期呢？
• A：唔。。。这是个问题
• Q：如果线程等待期间，我想放弃呢？
• A：。。。。。。
• Q：还有很多问题
  • 如果我想动态增加资源呢？
  • 如何我不想产生饥饿，而保证加锁的有序性呢？
  • 或者我要支持/不支持可重入特性呢？
  • 我要查看所有等待资源的线程状态呢？
  • 。。。。。。

我们发现，一个简单的等待资源的问题，牵扯出后续诸多庞杂且无头绪的问题；加锁不仅依赖一套完善的框架体系，还要具体根据使用场景而定，才能接近最优解；那我们即将要引出的AQS能完美解决上述这些问题吗？

答案是肯定的：不能

其实Doug Lea也意识到问题的复杂性，不可能出一个超级工具来解决所有问题，所以他把AQS设计为一个abstract类，并提供一系列子类去解决不同场景的问题，例如ReentrantLock、Semaphore等；当我们发现这些子类也不能满足我们加锁需求时，我们可以定义自己的子类，通过重写两三个方法，寥寥几行代码，实现强大的功能，这一切都得益于AQS作者敏锐的前瞻性

指的一提的是，虽然我们可以用某个子类去实现另一个子类所提供的功能（例如使用Semaphore替代CountDownLatch），但其易用、简洁、高效性等能否达到理想效果，都值得商榷；就好比在陆地上穿着雪橇走路，虽能前进，却低效易摔跤

1.2、并发框架

本小节仅带大家对AQS架构有个初步了解，在后文的独占锁、共享锁等中会详细阐述。下图为AQS框架的主体结构

从上图中我们看到了AQS中非常关键的一个概念：“阻塞队列”。即AQS的理念是当线程无法获取资源时，提供一个FIFO类型的有序队列，用来维护所有处于“等待中”的线程。看似无解可击的框架设计，同时也牵出另外的一个问题：阻塞队列一定高效吗?

当“同步块逻辑”执行很快时，我们列出两种场景

• 场景1：直接使用AQS框架，例如试用其子类ReentrantLock，遇到资源争抢，放阻塞队列
• 场景2：因为锁占用时间短，无限重试

针对这2种场景，我们写测试用例比较一下

package org.xijiu.share.aqs.compare;

import org.junit.Test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author likangning
 * @since 2021/3/9 上午8:58
 */
public class CompareTest {

  private class MyReentrantLock extends AbstractQueuedSynchronizer {
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      final Thread current = Thread.currentThread();
      while (true) {
        int c = getState();
        if (c == 0) {
          if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
          }
        }
      }
    }

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
      int c = getState() - releases;
      if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
      boolean free = false;
      if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
      }
      setState(c);
      return free;
    }
  }

  /**
   * 使用AQS框架
   */
  @Test
  public void test1() throws InterruptedException {
    ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    long begin = System.currentTimeMillis();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
      executorService.submit(() -> {
        for (int j = 0; j < 50000000; j++) {
          reentrantLock.lock();
          doBusiness();
          reentrantLock.unlock();
        }
      });
    }
    executorService.shutdown();
    executorService.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.MILLISECONDS);
    System.out.println("ReentrantLock cost : " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }

  /**
   * 无限重试
   */
  @Test
  public void test2() throws InterruptedException {
    MyReentrantLock myReentrantLock = new MyReentrantLock();
    long begin = System.currentTimeMillis();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
      executorService.submit(() -> {
        for (int j = 0; j < 50000000; j++) {
          myReentrantLock.tryAcquire(1);
          doBusiness();
          myReentrantLock.tryRelease(1);
        }
      });
    }
    executorService.shutdown();
    executorService.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.MILLISECONDS);
    System.out.println("MyReentrantLock cost : " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }

  private void doBusiness() {
    // 空实现，模拟程序快速运行
  }
}

上例，虽然MyReentrantLock继承了AbstractQueuedSynchronizer，但没有使用其阻塞队列。我们每种情况跑5次，看下两者在耗时层面的表现

类	耗时1	耗时2	耗时3	耗时4	耗时5	平均耗时（ms）
ReentrantLock	11425	12301	12289	10262	11461	11548
MyReentrantLock	8717	8957	10283	8445	8928	9066

上例只是拿独占锁举例，共享锁也同理。可以简单概括为：线程挂起、唤醒的时间占整个加锁周期比重较大，导致每次挂起、唤醒已经成为一种负担。当然此处并不是说AQS设计有什么缺陷，只是想表达并没有一种万能的框架能应对所有情况，一切都要靠使用者灵活理解、应用

1.3、拓扑结构及如何使用

我们常用的锁并发类，基本上都是AQS的子类或通过组合方式实现，可见AQS在Java并发体系的重要性

至于如何使用，是需要区分子类是想实现独占锁还是共享锁

• 独占锁

  • tryAcquire()
  • tryRelease()
  • isHeldExclusively() -- 可不实现

• 共享锁

  • tryAcquireShared()
  • tryReleaseShared()

AQS本身是一个abstract类，将主要并发逻辑进行了封装，我们定义自己的并发控制类，仅需要实现其中的两三个方法即可。而在对外(public方法)表现形式上，可依据自己的业务特性来定义；例如Semaphore定义为acquire、release，而ReentrantLock定义为lock、unlock

二、锁

相信大家经常会被各种各样锁的定义搞乱，叫法儿也五花八门，为了后续行文的方便，此章我们把一些锁概念阐述一下

2.1、独占锁

独占锁，顾名思义，即在同一时刻，仅允许一个线程执行同步块代码。好比一伙儿人想要过河，但只有一根独木桥，且只能承受一人的重量

JDK支持的典型独占锁：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

2.2、共享锁

共享锁其实是相对独占锁而言的，涉及到共享锁就要聊到并发度，即同一时刻最多允许同时执行线程的数量。上图所述的并发度为3，即在同一时刻，最多可有3个人在同时过河。

但共享锁的并发度也可以设置为1，此时它可以看作是独占锁

JDK支持的典型独占锁：Semaphore、CountDownLatch

2.3、公平锁

虽然叫做公平锁，但我们知道任何事情都是相对的，此处也不例外，我们也只能做到相对公平，后文会涉及，此处不再赘述

线程在进入时，首先要检查阻塞队列中是否为空，如果发现已有线程在排队，那么主动添加至队尾并等待被逐一唤起；如果发现阻塞队列为空，才会尝试去获取资源。公平锁相对非公平锁效率较低，通常来讲，加锁时间越短，表现越明显

2.4、非公平锁

任何一个刚进入的线程，都会尝试去获取资源，释放资源后，还会通知头节点去尝试获取资源，这样可能导致饥饿发生，即某一个阻塞队列中的线程一直得不到调度。

那为什么我们会说，非公平锁的效率要高于公平锁呢？假设一个独占锁，阻塞队列中已经有10个线程在排队，线程A抢到资源并执行完毕后，去唤醒头结点head，head线程唤醒需要时间，head唤醒后才尝试去获取资源，而在整个过程中，没有线程在执行加锁代码

因为线程唤起需要引发用户态及内核态的切换，故是一个相对比较耗时的操作。

我们再举一个不恰当的例子：行政部在操场上为同学们办理业务，因为天气炎热，故让排队的同学在场边一个凉亭等待，凉亭距离业务点约300米，且无法直接看到业务点，需要等待上一个办理完毕的同学来通知。假定平均办理一个业务耗时约30秒

• 公平锁：所有新来办理业务的同学都被告知去排队，上一个办理完业务的同学需要去300米外通知下一个同学，来回600米的路程（线程唤醒）预估耗时2分钟，在这2分钟里，因为没有同学过来办理业务，业务点处于等待状态
• 非公平锁：新来办理业务的同学首先看一下业务点是否有人正在在办理，如果有人正在办理，那么主动进入排队，如果办理点空闲，那么直接开始办理业务。明显非公平锁更高效，队首的同学接到通知，过来办理的时间片内，业务点可能已经处理了2个同学的业务

AQS框架是支持公平、非公平两种模式的，使用者可以根据自身的情况做选择，而Java中的内置锁synchronized是非公平锁

2.5、可重入锁

即某个线程获取到锁后、在释放锁之前，再次尝试获取锁，能成功获取到，不会出现死锁，便是可重入锁；需要注意的是，加锁次数需要跟释放次数一样

synchronized、ReentrantLock均为可重入锁

2.6、偏向锁 / 轻量级锁 / 重量级锁

之所以将这三个锁放在一起论述，是因为它们都是synchronized引入的概念，为了描述流畅，我们把它们放在一起

• 偏向锁：JVM设计者发现，在大多数场景中，在同一时刻争抢synchronized锁只有一个线程，而且总是被这一个线程反复加锁、解锁；故引入偏向锁，且向对象头的MarkWord部分中， 标记上线程id，值得一提的是，在线程加锁结束后，并没有解锁的动作，这样带来的好处首先是少了一次CAS操作，其次当这个线程再次尝试加锁时，仅仅比较MarkWord部分中的线程id与当前线程的id是否一致，如果一致则加锁成功。偏向锁因此而得名，它偏向于占有它的线程，对其非常友好。当上一个线程释放锁后，如果有另一个线程尝试加锁，偏向锁会重新偏向新的线程。而当一个线程正占有锁，又有一个新的线程试图加锁时，便进入了轻量级锁
• 轻量级锁：所谓轻量级锁，是针对重量级锁而言的，这个阶段也有人叫自旋锁。其本质就是不会马上挂起线程，而是反复重试10（可使用参数-XX:PreBlockSpin来修改）次。因为线程挂起、唤醒也是相当耗时的，在锁并发不高、加锁时间短时，采用自旋可以得到更好的效果，具体可以参考1.2章的测试用例
• 重量级锁：线程挂起并进入阻塞队列，等待被唤醒

这3层锁是逐级膨胀的，且过程不可回逆，即某个锁一旦进入重量级锁，便不可回退至轻量级锁或偏向锁。虽然synchronized不是本文的重点，但既然提起来了，我们可以把其特性简单罗列一下

• synchronized 独占锁、非公平锁、可重入；内部做了很多优化

那synchronized锁的性能究竟如何呢？我们跟AQS框架中的ReentrantLock做个简单对比

public class SynchronizedAndReentrant {

  private static int THREAD_NUM = 5;

  private static int EXECUTE_COUNT = 30000000;

  /**
   * 模拟ReentrantLock处理业务
   */
  @Test
  public void test() throws InterruptedException {
    ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    long begin = System.currentTimeMillis();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
      executorService.submit(() -> {
        for (int j = 0; j < EXECUTE_COUNT; j++) {
          reentrantLock.lock();
          doBusiness();
          reentrantLock.unlock();
        }
      });
    }
    executorService.shutdown();
    executorService.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.MILLISECONDS);
    System.out.println("ReentrantLock cost : " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }

  private void doBusiness() {
  }

  /**
   * 模拟synchronized处理业务
   */
  @Test
  public void test2() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
      executorService.submit(() -> {
        for (int j = 0; j < EXECUTE_COUNT; j++) {
          synchronized (SynchronizedAndReentrant.class) {
            doBusiness();
          }
        }
      });
    }
    executorService.shutdown();
    executorService.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.MILLISECONDS);
    System.out.println("synchronized cost : " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }

}

锁	耗时1	耗时2	耗时3	耗时4	耗时5	平均耗时（ms）
ReentrantLock	5876	5879	5601	5939	5925	5844
synchronized	5551	5611	5794	5397	5445	5559

在JDK1.8的ConcurrentHashMap中，作者已经将分段锁摒弃，进而采用synchronized为分桶加锁。synchronized已日趋成熟，我们应该摒弃对它低性能的偏见，放心大胆地去使用它