【Java 并发】 之 AQS 详解 & volatile关键字

Java并发之AQS详解

谈到并发，不得不谈ReentrantLock；而谈到ReentrantLock，不得不谈AbstractQueuedSynchronizer（AQS）！

类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

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它维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，见文末。state的访问方式有三种:

getState()
setState()
compareAndSetState()
　　
AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

acquire()的流程的流程图如下：

image

1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；

2. 没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；

3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。

4. 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

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AtomicInteger.increment方法能保证原子性，而简单的++运算却不能保证原子性。

CPU内存架构

现代计算机都是多处理机CPU，每个核心(Core)都有一套寄存器，CPU访问寄存器的速度是最快的，但是访问RAM内存速度相对来说要慢很多，所以为了解决寄存器与内存速度的不协调问题，每个CPU内核都会有一级或多级高速缓存(Cache)：

CPU内存架构

当两个线程同时运行的时候，可能会出现下面的情况：两个线程同时使用一个共享变量，会在Cache中缓存该变量，当一个线程修改共享变量时，Cache未能及时将修改的值放回RAM，导致另一个线程不能读取修改后的值。

线程共享变量出现的问题

volatile关键字的作用

前面讲CPU内存架构就是为了说明volatile关键字的作用：用来保证对变量修改后，能立即写回主存，从而保证共享变量的修改对所有线程是可见的。JVM语言规范将该特性称为happens-before。

另外，在Java官方教程中讲“原子操作”时，提到平常写代码遇到的最简单的原子操作：

• 对引用变量(不是引用的对象)和大多数基本类型变量(除了long和double)的读写操作都是原子性的。

  为什么long和double除外呢，我个人是这么理解的：因为long和double是8个字节长的，如果程序运行在32位的机器上，JVM需要执行更多的操作来实现long和double的运算。所以JVM 不能保证 long和double类型读写操作的原子性。

• 对于声明了volatile的所有变量(包括long和double)的读写操作都是原子性的。

从上面的说明我们可以了解到：volatile关键字修饰的所有变量读写操作都是原子性的。那么是不是意味着对volatile修饰的int值进行++操作也是原子性的。答案是否定的，volatile不能保证++，--操作的原子性，这里所说的读写操作仅仅是指“取值”和“赋值”操作。