Java并发编程实践目录

概述

　　2.1 ReentrantLock

　　2.2 Semaphore

　　2.3 CountDownLatch

　　2.4 FutureTask

参考

第1 部分锁和同步器

先看下java.util.concurrent.locks大致结构

并发编程 20—— AbstractQueuedSynchronizer 深入分析

　　上图中，LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上，为何图中没有用UML线表示呢，这是每个Lock实现类都持有自己内部类Sync的实例，而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync呢？这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。下文会举例说明不同同步器内的Sync与state实现。

　　同步器是实现锁的关键，利用同步器将锁的语义实现，然后在锁的实现中聚合同步器。可以这样理解：锁的API是面向使用者的，它定义了与锁交互的公共行为，而每个锁需要完成特定的操作也是透过这些行为来完成的（比如：可以允许两个线程进行加锁，排除两个以上的线程），但是实现是依托给同步器来完成；同步器面向的是线程访问和资源控制，它定义了线程对资源是否能够获取以及线程的排队等操作。锁和同步器很好的隔离了二者所需要关注的领域，严格意义上讲，同步器可以适用于除了锁以外的其他同步设施上（包括锁）。

第2 部分 java.util.concurrent 同步器类中的AQS

什么是state机制

提供 volatile 变量 state; 用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

/** 
 * 同步状态 
 */  
private volatile int state;  
  
/** 
 *cas 
 */  
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {  
    // See below for intrinsics setup to support this  
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);  
}

不同实现类的Sync与State

　　基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等，这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放，只是条件不一样而已。

2.1 ReentrantLock

　　需要记录当前线程获取原子状态的次数，如果次数为零，那么就说明这个线程放弃了锁（也有可能其他线程占据着锁从而需要等待），如果次数大于1，也就是获得了重进入的效果，而其他线程只能被park住，直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。

 1 //公平获取锁
 2 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 3     final Thread current = Thread.currentThread();
 4     int c = getState();
 5     //如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁
 6     if (c == 0) {
 7         //如果是第一个等待者，并且设置重进入数成功，那么当前线程获得锁
 8         if (isFirst(current) &&
 9             compareAndSetState(0, acquires)) {
10             setExclusiveOwnerThread(current);
11             return true;
12      }
13  }
14     //如果当前线程本身就持有锁，那么叠加重进入数，并且继续获得锁
15     else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
16         int nextc = c + acquires;
17         if (nextc < 0)
18             throw new Error("Maximum lock count exceeded");
19         setState(nextc);
20         return true;
21  }
22      //以上条件都不满足，那么线程进入等待队列。
23      return false;
24 }

2.2 Semaphore

则是要记录当前还有多少次许可可以使用，到0，就需要等待，也就实现并发量的控制，Semaphore一开始设置许可数为1，实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现

 1 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 2     Thread current = Thread.currentThread();
 3     for (;;) {
 4          Thread first = getFirstQueuedThread();
 5          //如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程，那么就返回-1表示当前线程需要等待
 6          if (first != null && first != current)
 7               return -1;
 8          //如果当前队列没有等待者，或者当前线程就是等待队列第一个等待者，那么先取得semaphore还有几个许可证，并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值
 9          int available = getState();
10          int remaining = available - acquires;
11          //如果remining<0，那么反馈给AQS当前线程需要等待，如果remaining>0，并且设置availble成功设置成剩余数，那么返回剩余值(>0)，也就告知AQS当前线程拿到许可，可以继续执行。
12          if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))
13              return remaining;
14  }
15 }

2.3 CountDownLatch

闭锁则要保持其状态，在这个状态到达终止态之前，所有线程都会被park住，闭锁可以设定初始值，这个值的含义就是这个闭锁需要被countDown()几次，因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话，那么这个闭锁需要被countDown()十次，才能够将这个初始值减到0，从而释放原子状态，让等待的所有线程通过。

 1 //await时候执行，只查看当前需要countDown数量减为0了，如果为0，说明可以继续执行，否则需要park住，等待countDown次数足够，并且unpark所有等待线程
 2 public int tryAcquireShared(int acquires) {
 3      return getState() == 0? 1 : -1;
 4 }
 5 
 6 //countDown 时候执行，如果当前countDown数量为0，说明没有线程await，直接返回false而不需要唤醒park住线程，如果不为0，得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。
 7 public boolean tryReleaseShared(int releases) {
 8     for (;;) {
 9          int c = getState();
10          if (c == 0)
11              return false;
12          int nextc = c-1;
13          if (compareAndSetState(c, nextc))
14              return nextc == 0;
15  }
16 }

2.4 FutureTask

　　需要记录任务的执行状态，当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法，即让具体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态，如果是RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法（与等待线程持相同的实例），设定执行结果，并且通过unpark唤醒正在等待的线程，返回结果。

 1 //get时待用，只检查当前任务是否完成或者被Cancel，如果未完成并且没有被cancel，那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住
 2 protected int tryAcquireShared(int ignore) {
 3      return innerIsDone()? 1 : -1;
 4 }
 5 
 6 //判定任务是否完成或者被Cancel
 7 boolean innerIsDone() {
 8     return ranOrCancelled(getState()) &&    runner == null;
 9 }
10 
11 //get时调用，对于CANCEL与其他异常进行抛错
12 V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
13     if (!tryAcquireSharedNanos(0,nanosTimeout))
14         throw new TimeoutException();
15     if (getState() == CANCELLED)
16         throw new CancellationException();
17     if (exception != null)
18         throw new ExecutionException(exception);
19     return result;
20 }
21 
22 //任务的执行线程执行完毕调用（set(V v)）
23 void innerSet(V v) {
24      for (;;) {
25         int s = getState();
26         //如果线程任务已经执行完毕，那么直接返回（多线程执行任务？）
27         if (s == RAN)
28             return;
29         //如果被CANCEL了，那么释放等待线程，并且会抛错
30         if (s == CANCELLED) {
31             releaseShared(0);
32             return;
33      }
34         //如果成功设定任务状态为已完成，那么设定结果，unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作（一般由FutrueTask的子类实现）
35         if (compareAndSetState(s, RAN)) {
36             result = v;
37             releaseShared(0);
38             done();
39             return;
40      }
41  }
42 }

参考

1.《java并发编程实战》构建自定义的同步工具

2. Java多线程（七）之同步器基础：AQS框架深入分析

3. AbstractQueuedSynchronizer的介绍和原理分析

4. 深度解析Java 8：JDK1.8 AbstractQueuedSynchronizer的实现分析（上）

5. 深度解析Java8 – AbstractQueuedSynchronizer的实现分析（下）

6. AbstractQueuedSynchronizer、ReentrantLock源码分析——从未曾了解到精通原理

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并发编程 20—— AbstractQueuedSynchronizer 深入分析

第1 部分锁和同步器

第2 部分 java.util.concurrent 同步器类中的AQS

什么是state机制

不同实现类的Sync与State

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2.2 Semaphore

2.3 CountDownLatch

2.4 FutureTask

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2.3 CountDownLatch

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