AbstractQueuedSynchronizer在工具类Semaphore、CountDownLatch、ReentrantLock中的应用和CyclicBarrier

在上篇文章本人粗略地整理了AbstractQueuedSynchronizer和ReentrantLock的源码要点。其实,在java.util.concurrent包中,AbstractQueuedSynchronizer的应用非常广泛,而不局限于在ReentrantLock中的实现,本文简要介绍下AbstractQueuedSynchronizer在Semaphore、ReentrantReadWriteLock等类中的应用

0. 回顾

上文在介绍AQS的时候,介绍了AQS和ReentrantLock类中的Sync子类互相配合完成可重入锁的实现,在这其中AQS所提供的是一套灵活和完整的队列处理机制。由于在AQS中已经提供了完整的队列处理机制,通常是不需要扩展的子类Override的。同时,AQS又提供了state属性和tryAcquire()/tryRelease()等方法,而这些正是需要子类根据具体的需求逻辑灵活实现的扩展点。从ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore和CountDownLatch的实现来看,通常是在这些工具类的中封装实现自己独有的Sync内部类,而Sync就是对AQS的扩展实现。

1. Semaphore

学习操作系统理论课的时候,教材上应该都会讲过信号量这种概念,java.util.concurrent.Semaphore类就是Java中这个概念的实现。比如资源R有5个实体,如果每个线程执行的过程中需要用到1个,那么允许5个线程并发执行,第6个会等待其他线程释放资源后继续执行。

先看一个应用Semaphore的例子:
其中最主要的方法就是acquire()和release(),更详细的可以参看Oracle的API文档。

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
		final Semaphore sem = new Semaphore(5);

		for (int i = 1; i < 100; i++) {
			final int tid = i;
			Runnable semTask = new Runnable() {
				public void run() {
					try {
						sem.acquire();

						System.out.println("running thread with id: " + tid);
						Thread.sleep((long) (Math.random() * 3000));
						System.out.println("completing with id: " + tid);

						sem.release();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			};
			exec.execute(semTask);
		}
		exec.shutdown();

下面看看Semaphore的实现。如果熟悉ReentrantLock的实现,那么Semaphore其实很好理解,简单来讲,Semaphore实际上就是把锁的限制从1变为N。

  • state存储的是表示剩余可用资源的值
  • Node采用的是SHARED模式
  • 获得锁之后会尝试传播,释放更多锁

2. CountDownLatch

这个类主要是为了解决多线程中的状态依赖问题。java.util.concurrent.CountDownLatch这个类从名字就可以看出,是以一个递减计数器为基础,多个线程共享这样一个对象,开启一个计数值,某些线程可以等待这个计数器值为0的时候继续任务,调用await(),而那些改变状态的线程需要做的就是使计数器递减,调用countDown()方法。

看一个例子。

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
		final CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(3);

		Runnable watingTasks = new Runnable() {
			public void run() {
				try {
					System.out.println("there're 3 tasks here. if all tasks are finished, i will go home.");
					System.out.println("working...");

					cdl.await();

					System.out.println("ok, i will go home now!");
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		};
		exec.execute(watingTasks);

		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			final int tid = i;
			Runnable semTask = new Runnable() {
				public void run() {
					try {
						System.out.println("starting task " + tid +  "...");
						Thread.sleep((long) (Math.random() * 5000));
						System.out.println("task " + tid +  " finished");

						cdl.countDown();

					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			};
			exec.execute(semTask);
		}
		exec.shutdown();

和Semaphore类似,在使用AQS的实现上,主要有以下几点。

  • state存储的是count计数变量
  • Node采用的是SHARED模式
  • countDown()调用tryReleaseShared使得计数减1
  • await是调用tryAcquire,实际上就是判断state是否为0

3. ReentrantReadWriteLock

在高并发场景下,为了让任务执行更有效率,将读和写场景分离是有必要的。这是因为读和写在线程安全方面特点的不同,读不改变状态,多个线程是可以同时进行而没有问题的,而写与写、写与读之间都是需要互斥的。在java.util.concurrent中,ReentrantReadWriteLock这个类就是做这个事情的。

具体的使用就不举例了,直接分析下其实现。从类名上看ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock就很相似,实现上也有相似的部分。ReentrantReadWriteLock中封装了ReadLock和WriteLock内部类,而ReentrantReadWriteLock、ReentrantReadWriteLock.ReadLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock中都有自己的Sync类属性,使用的是ReentrantReadWriteLock.Sync实现,而且对象关系上,ReadLock和WriteLock中的sync都是指向ReentrantReadWriteLock对象中的sync引用,即使用了同一个AQS同一套队列,只是将方法分离开来处理。

其中的要点:

  • state同时存储r和w的个数
  • WriteLock的锁操作类似ReentrantLock使用互斥节点
  • 而readlock使用共享节点
  • 读锁写锁的逻辑在各自的tryLock中,最终实现在ReadWriteLock的tryReadLock和tryWriteLock中

4. 最后再说下CyclicBarrier类

在这里说java.util.concurrent.CyclicBarrier,并非因为其使用了AQS,而是因为它的用法和CountDownLatch有类似之处。CyclicBarrier和CountDownLatch都是处理状态依赖的问题的,而不同之处是使用CyclicBarrier的线程互相依赖,即互相等待,直到达到某一特定状态,这些线程同时继续执行。

CyclicBarrier是基于ReetrantLock和ConditionObject的,await()的时候对计数器递减,并检查是否为0,如果为0则执行CyclicBarrier类对象的barrierCommand(Runnable类对象属性)并signalAll()通知所有等待线程开始下一轮,否则阻塞当前线程。

本文对java.util.concurrent的并发工具类和AQS的应用做了简要的整理,更多并发的内容会在后面的文章整理。

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