【腾讯阿里最全面试题】介绍下Synchronized、Volatile、CAS、AQS,以及各自的使用场景...
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AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java并发工具包中一个核心的同步框架,广泛应用于实现多种锁和同步组件,如ReentrantLock、CountDownLatch等。以下是对AQS的详细分析:
AQS的结构与机制
AQS维护了一个状态值和一个FIFO双向队列,用于管理线程的同步和等待。状态值通过volatile修饰确保线程间的可见性,保证锁的状态一致性。队列中的节点包含线程和相关状态信息,用于处理线程的等待和唤醒。
核心组件
状态值(state):用于表示锁的状态,可能用于计数重入次数或其他同步逻辑。 双向队列:FIFO结构,用于存储等待锁的线程,确保先进先出的顺序。 队列节点
每个节点包含以下信息:
- waitStatus:线程的等待状态,可能为SIGNAL、CONDITION等值。
- 前驱节点(prev)和后驱节点(next),构成FIFO队列。
- 当前线程(thread):等待锁的线程。
AQS的工作流程
获取锁:调用lock()方法,尝试修改状态值和队列。如果成功,线程继续执行;如果失败,线程被加入队列等待。 释放锁:调用unlock()方法,修改状态值,并从队列中取出线程,唤醒它。 节点插入:线程竞争锁失败时,构造节点并插入队列。 节点删除:线程获取锁后,删除自己从队列中的节点。 唤醒线程:线程释放锁后,唤醒队列中的下一个线程。 AQS的锁类型
AQS支持两种资源共享方式:
独占锁:同一时间仅有一个线程持有锁,适用于ReentrantLock。 共享锁:多个线程可同时持有锁,适用于ReentrantReadWriteLock。 ReentrantLock的实现
ReentrantLock基于AQS实现独占锁。它的lock()方法通过递增状态值获取锁,unlock()方法递减状态值释放锁。线程在竞争锁时,使用循环的acquire()方法,通过CAS操作尝试获取锁,失败时加入队列。
CountDownLatch的实现
CountDownLatch基于AQS的独占锁实现。它维护一个计数器,countDown()方法递减计数器,当计数器为零时,等待的线程被唤醒。
性能与优化
AQS使用自旋机制,线程在释放锁后继续执行,减少等待时间。Java6后引入偏向锁优化,允许线程在无竞争情况下直接获取锁,进一步提升性能。
应用场景
- ReentrantLock:用于需要重入锁控制的场景,比如资源池管理。
- ReentrantReadWriteLock:用于读写锁控制,支持多个读线程同时访问,但一旦有写线程进入,所有读线程等待。
- CountDownLatch:用于等待多个线程完成任务后,唤醒主线程。
- Semaphore:用于控制资源的可用次数,允许多个线程同时使用资源。
总结
AQS通过状态值和FIFO队列实现线程同步,支持独占和共享锁模式。其灵活性和高效性使其成为Java并发工具包的核心同步框架。理解AQS有助于深入掌握Java多线程编程中的锁与同步机制。
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