核酸检测:让我明白AQS原理

独占锁


早上叫练带着一家三口来到了南京市第一医院做核酸检测,护士小姐姐站在医院门口拦着告诉我们人比较多,无论大人小孩,需要排队一个个等待医生采集唾液检测,OK,下面我们用代码+图看看我们一家三口是怎么排队的!

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**

* _@author_ :__jiaolian

* _@date_ :__Created in 2021-01-22 10:33

* _@description__:独占锁测试_

* _@modified_ By__:

* _公众号__:__叫练_

*/

public class ExclusiveLockTest {

 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock lock =` **new** `ReentrantReadWriteLock();`
 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();`
 _//__医院_
 **private** **static** **class** **Hospital** `{`
 **private** `String name;`
 **public** **Hospital**(String name) `{`
 **this**`.name = name;`
 }
 _//__核酸检测排队测试_
 **public** **void** **checkUp**() `{`
 **try** `{`
 writeLock.lock();
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`"正在做核酸检测"`);`
 _//__核酸过程__...__难受__..._
 `Thread.sleep(`3000`);`
 `}` **catch** `(InterruptedException e) {`
 e.printStackTrace();
 `}` **finally** `{`
 writeLock.unlock();
 }
 }
 }
 **public** **static** **void** **main**(String[] args) **throws** InterruptedException `{`
 `Hospital hospital =` **new** `Hospital(`"南京市第一医院"`);`
 `Thread JLWife =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练妻"`);`
 JLWife.start();
 _//__睡眠__100__毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测_
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JLSon =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练子"`);`
 JLSon.start();
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JL =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练"`);`
 JL.start();
 }
`}`

如上代码:在主线程启动三个线程去医院门口排队,女士优先,叫练妻是排在最前面的,中间站的是叫练的孩子,最后就是叫练自己了。我们假设模拟了下核酸检测一次需要3秒。代码中我们用了独占锁,独占锁可以理解成医院只有一个医生,一个医生同时只能为一个人做核酸,所以需要逐个排队检测,所以代码执行完毕一共需要花费9秒,核酸检测就可以全部做完。代码逻辑还是比较简单,和我们之前文章描述synchronized同理。核酸排队我们用图描述下吧!

AQS全称是AbstractQueueSynchroniz,意为队列同步器,本质上是一个双向链表,在AQS里面每个线程都被封装成一个Node节点,每个节点都通过尾插法添加。另外节点还有还封装状态信息,比如是独占的还是共享的,如上面的案例就表示独占Node,医生他本身是一种共享资源,在AQS内部里面叫它state,用int类型表示,线程都会通过CAS的方式争抢state。线程抢到锁了,就自增,没有抢到锁的线程会阻塞等待时机被唤醒。如下图:根据我们理解抽象出来AQS的内部结构。
根据上面描述,大家看AQS不就是用Node封装线程,然后把线程按照先来后到(非公平锁除外)连接起来的双向链表嘛!关于非公平锁我之前写《排队打饭》案例中也通过简单例子描述过。有兴趣童鞋可以翻看下!

共享锁


上面我们做核酸的过程是同步执行的,叫独占锁。那共享锁是什么意思呢?现在叫练孩子只有3岁,不能独立完成核酸检测,护士小姐姐感同身受,观察叫练子是排在叫练妻后面的,就让他们一起同时做核酸检测。这种同时做核酸的操作,相当于同时去获取医生资源,我们称之为共享锁。下面是我们测试代码。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**

* _@author_ :__jiaolian

* _@date_ :__Created in 2021-01-21 19:54

* _@description__:共享锁测试_

* _@modified_ By__:

* _公众号__:__叫练_

*/

public class SharedLockTest {

 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock lock =` **new** `ReentrantReadWriteLock();`
 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();`
 _//__医院_
 **private** **static** **class** **Hospital** `{`
 **private** `String name;`
 **public** **Hospital**(String name) `{`
 **this**`.name = name;`
 }
 _//__核酸检测排队测试_
 **public** **void** **checkUp**() `{`
 **try** `{`
 readLock.lock();
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`"正在做核酸检测"`);`
 _//__核酸过程__...__难受__..._
 `Thread.sleep(`3000`);`
 `}` **catch** `(InterruptedException e) {`
 e.printStackTrace();
 `}` **finally** `{`
 readLock.unlock();
 }
 }
 }
 **public** **static** **void** **main**(String[] args) **throws** InterruptedException `{`
 `Hospital hospital =` **new** `Hospital(`"南京市第一医院"`);`
 `Thread JLWife =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练妻"`);`
 JLWife.start();
 _//__睡眠__100__毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测_
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JLSon =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练子"`);`
 JLSon.start();
 _/*Thread.sleep(100);_

Thread JL = new Thread(()->hospital.checkUp(),"__叫练__");

JL.start();*/

 }
`}`

上面代码我们用ReentrantReadWriteLock.ReadLock作为读锁,在主线程启动“叫练妻”和“叫练”两个线程,本来母子俩一共需要6秒才能完成友链交易的事情,现在只需要3秒就可以做完,共享锁好处是效率比较高。如下图,是AQS内部某一时刻Node节点状态。对比上图,Node的状态变为了共享状态,这些节点可以同时去共享医生资源

synchronized锁不响应中断


/**

* _@author_ :__jiaolian

* _@date_ :__Created in 2020-12-31 18:17

* _@description__:__sync__不响应中断_

* _@modified_ By__:

* _公众号__:__叫练_

*/

public class SynchronizedInterrputedTest {

 **private** **static** **class** **MyService** `{`
 **public** **synchronized** **void** **lockInterrupt**() `{`
 **try** `{`
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`" 获取到了锁"`);`
 **while** `(`**true**`) {`
 _//System.out.println();_
 }
 `}` **catch** `(Exception e) {`
 e.printStackTrace();
 }
 }
 }
 **public** **static** **void** **main**(String[] args) **throws** InterruptedException `{`
 `MyService myService =` **new** `MyService();`
 _//__先启动线程__A__,让线程__A__先拥有锁_
 `Thread threadA =` **new** `Thread(()->{`
 myService.lockInterrupt();
 });
 threadA.start();
 `Thread.sleep(`1000`);`
 _//__启动线程__B__,中断,__synchronized__不响应中断!_
 `Thread threadB =` **new** `Thread(()->{`
 myService.lockInterrupt();
 });
 threadB.start();
 `Thread.sleep(`1000`);`
 threadB.interrupt();
 }
`}`

如上述代码:先启动A线程,让线程A先拥有锁,睡眠1秒再启动线程B是让B线程处于可运行状态,隔1秒后再中断B线程。在控制台输出如下:A线程获取到了锁,等待2秒后控制台并没有立刻输出报错信息,程序一直未结束执行,说明synchronized锁不响应中断,需要B线程获取锁后才会输出线程中断报错信息!

AQS响应中断


经常做比较知识才会融会贯通,在Lock提供lock和lockInterruptibly两种获取锁的方式,其中lock方法和synchronized是不响应中断的,那下面我们看看lockInterruptibly响应中断是什么意思。我们还是用核酸案例说明。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**

* _@author_ :__jiaolian

* _@date_ :__Created in 2021-01-22 15:18

* _@description__:__AQS__响应中断代码测试_

* _@modified_ By__:

* _公众号__:__叫练_

*/

public class AQSInterrputedTest {

 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock lock =` **new** `ReentrantReadWriteLock();`
 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();`
 _//__医院_
 **private** **static** **class** **Hospital** `{`
 **private** `String name;`
 **public** **Hospital**(String name) `{`
 **this**`.name = name;`
 }
 _//__核酸检测排队测试_
 **public** **void** **checkUp**() `{`
 **try** `{`
 writeLock.lockInterruptibly();
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`"正在做核酸检测"`);`
 _//__核酸过程__...__难受__..._
 `Thread.sleep(`3000`);`
 `}` **catch** `(InterruptedException e) {`
 e.printStackTrace();
 `}` **finally** `{`
 writeLock.unlock();
 }
 }
 }
 **public** **static** **void** **main**(String[] args) **throws** InterruptedException `{`
 `Hospital hospital =` **new** `Hospital(`"南京市第一医院"`);`
 `Thread JLWife =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练妻"`);`
 JLWife.start();
 _//__睡眠__100__毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测_
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JLSon =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练子"`);`
 JLSon.start();
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JL =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(),`"叫练"`);`
 JL.start();
 _//__等待__1__秒,中断叫练线程_
 `System.out.println(`"护士小姐姐想和叫练私聊会!"`);`
 `Thread.sleep(`1000`);`
 JL.interrupt();
 }
`}`

如上代码:叫练一家三口采用的是独占锁排队去做核酸,叫练线程等待一秒后,护士小姐姐想和叫练私聊会!莫非小姐姐会有啥想法,于是叫练立刻中断了这次的核酸检测,注意是立刻中断。控制台打印结果如下:叫练妻线程和叫练子线程都做了核酸,但叫练却没有做成功!因为被护士小姐姐中断了,结果如下图所示。所以我们能得出结论,在aqs中锁是可以响应中断的。现在如果将上述代码中lockInterruptibly方法换成lock方法会发生什么情况呢,如果换成这种方式,小姐姐再来撩我,叫练要先成功获取锁,也就说叫练已经到医生旁边准备做核酸了,小姐姐突然说有事找叫练,最终导致叫练没有做核酸,碰上这样的事,只能说小姐姐是存心的,小姐姐太坏了。关于lock方法不响应中断的测试大家可以自己测试下。看看我是不是冤枉护士小姐姐了。
我们可以得出结论:在aqs中如果一个线程正在获取锁或者处于等待状态,另一个线程中断了该线程,响应中断的意思是该线程立刻中断,而不响应中断的意思是该线程需要获取锁后再中断。

条件队列


人生或许有那么些不如意。漫长的一个小时排队等待终于过去了,轮到我们准备做核酸了,你说气不气,每次叫练妻出门都带身份证,可偏偏回家这次忘记了?我们用代码看看叫练一家三口在做核酸的过程中到底发生了啥事情?又是怎么处理的!

import java.util.concurrent.locks.Condition;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**

* _@author_ :__jiaolian

* _@date_ :__Created in 2021-01-22 16:10

* _@description__:条件队列测试_

* _@modified_ By__:

* _公众号__:__叫练_

*/

public class ConditionTest {

 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock lock =` **new** `ReentrantReadWriteLock();`
 **private** **static** `ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();`
 _//__条件队列_
 **private** **static** `Condition condition = writeLock.newCondition();`
 _//__医院_
 **private** **static** **class** **Hospital** `{`
 **private** `String name;`
 **public** **Hospital**(String name) `{`
 **this**`.name = name;`
 }
 _//__核酸检测排队测试_
 **public** **void** **checkUp**(**boolean** isIdCard) `{`
 **try** `{`
 writeLock.lock();
 validateIdCard(isIdCard);
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`"正在做核酸检测"`);`
 _//__核酸过程__...__难受__..._
 `Thread.sleep(`3000`);`
 `}` **catch** `(InterruptedException e) {`
 e.printStackTrace();
 `}` **finally** `{`
 writeLock.unlock();
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`"核酸检测完成"`);`
 }
 }
 _//__校验身份信息__;_
 **private** **void** **validateIdCard**(**boolean** isIdCard) `{`
 _//__如果没有身份信息,需要等待_
 **if** `(!isIdCard) {`
 **try** `{`
 `System.out.println(Thread.currentThread().getName()+`"忘记带身份证了"`);`
 condition.await();
 `}` **catch** `(InterruptedException e) {`
 e.printStackTrace();
 }
 }
 }
 _//__通知所有等待的人_
 **public** **void** **singleAll**() `{`
 **try** `{`
 writeLock.lock();
 condition.signalAll();
 `}` **catch** `(Exception e) {`
 e.printStackTrace();
 `}` **finally** `{`
 writeLock.unlock();
 }
 }
 }
 **public** **static** **void** **main**(String[] args) **throws** InterruptedException `{`
 `Hospital hospital =` **new** `Hospital(`"南京市第一医院"`);`
 `Thread.currentThread().setName(`"护士小姐姐线程"`);`
 `Thread JLWife =` **new** `Thread(()->{`
 `hospital.checkUp(`**false**`);`
 `},`"叫练妻"`);`
 JLWife.start();
 _//__睡眠__100__毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测_
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JLSon =` **new** `Thread(()->hospital.checkUp(`**true**`),`"叫练子"`);`
 JLSon.start();
 `Thread.sleep(`100`);`
 `Thread JL =` **new** `Thread(()->{`
 `hospital.checkUp(`**true**`);`
 `},`"叫练"`);`
 JL.start();
 _//__等待叫练线程执行完毕_
 JL.join();
 hospital.singleAll();
 }
`}`

如上代码:一家人获取独占锁需要排队检测,叫练妻先进去准备核酸,护士小姐姐说先要刷身份证才能进去,叫练妻突然回想起来,出门走得急身份证忘记带了,这可咋办,需要重新排队吗?叫练妻很恐慌,护士小姐姐说,要不这样吧,你先赶紧回家拿,等叫练子,叫练先检测完,我就赶紧安排你进去在做核酸,那样你就不需要重新排队了,这就是上述这段代码的表达意思。我们看看执行结果如下图,和我们分析的结果一致,下图最后画红圈的地方叫练妻最后完成核酸检测。下面我们看看AQS内部经历的过程。

如下图,当叫练妻先获取锁,发现身份证忘带调用await方法会释放持有的锁,并把自己当做node节点放入条件队列的尾部,此时条件队列为空,所以条件队列中只有叫练妻一个线程在里面,接着护士小姐姐会将核酸医生这个资源释放分配给下一个等待者,也就是叫练子线程,同理,叫练子执行完毕释放锁之后会唤醒叫练线程,底层是用LockSupport.unpark来完成唤醒的的操作,相当于基础系列里的wait/notify/notifyAll等方法。当叫练线程执行完毕,后面没有线程了,护士小姐姐调用singleAll方法会见条件队列的叫练妻线程唤醒,并加入到AQS的尾部,等待执行。其中条件队列是一个单向链表,一个AQS可以通过newCondition()对应多个条件队列。这里我们就不单独用代码做测试了。

总结


今天我们用代码+图片+故事的方式说明了AQS重要的几个概念,整理出来希望能对你有帮助,写的比不全,同时还有许多需要修正的地方,希望亲们加以指正和点评,年前这段时间会继续输出实现AQS高级锁,如:ReentrantLock,线程池这些概念等。

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