AQS底层原理连环相扣系列锁面试题分析

请听我细细讲解。

AQS底层原理连环相扣系列锁面试题分析

背景

在复杂的并发场景中，锁的使用既能保证线程安全，也易引发性能问题。在Java中，锁的使用和实现主要依靠的是AQS（AbstractQueuedSynchronizer）底层原理。AQS是Java并发编程中的基础之一，因此在面试和工作中都是非常重要的一个知识点。

AQS简介

AQS是Java并发包中锁（Lock）和同步器（Synchronizer）的基础框架，其设计思想是先实现一个框架，然后再在这个框架上实现具体的锁和同步器。AQS主要依靠缓存行、CAS、volatile、Lock-Free等机制来实现线程同步。AQS内部基于一个FIFO双端队列（CLH队列）来维护等待线程集合，通过这个队列来判断获取锁的可行性。

AQS的状态和操作

AQS主要维护的是一个状态变量state，该变量通过CAS来进行修改，可以保证线程安全。AQS状态变量的含义由具体实现来决定，比如ReentrantLock中，state为0表示未加锁，为1表示已加锁（可重入锁）。

在AQS中，使用acquire和release两个方法来实现获取锁和释放锁的操作。其中acquire方法会根据状态变量的值（或直接赋值）来判断是否需要加锁，如果需要加锁则阻塞当前线程，否则返回true。release方法会根据状态变量的值（或直接赋值）来判断是否需要释放锁，如果需要释放锁则会唤醒等待队列中的一个线程继续执行。

AQS实现步骤

AQS的实现主要包括以下几个步骤：

1. 设置线程状态为"0"，表示线程未加锁。
2. 如果当前线程的状态为"0"，则通过CAS操作将"0"改为"1"，表示线程已加锁。
3. 如果当前线程的状态为"1"，则将线程状态加1，表示线程已经获得锁并加锁成功。同时将当前线程保存在等待队列中，线程进入阻塞状态。
4. 等待其它线程执行release操作来唤醒当前线程。当其它线程调用release方法来释放锁时，AQS的状态变量会发生改变，从而唤醒等待队列中的一个线程继续执行。

AQS实现ReentrantLock

ReentrantLock通过AQS实现，其加锁和释放锁的过程如下：

public class ReentrantLockDemo {

  private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

  public static void main(String[] args) {
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
      // do something
    } finally {
      // 释放锁
      lock.unlock();
    }
  }
}

上面代码演示了如何使用ReentrantLock获取锁和释放锁。

AQS实现CountDownLatch

CountDownLatch通过AQS实现，其倒计时计数器的实现原理如下：

public class CountDownLatchDemo {

  private static final int COUNT = 3;

  public static void main(String[] args) {
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(COUNT);

    for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
      new Thread(() -> {
        try {
          Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
          countDownLatch.countDown();
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count down");
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }, "Thread-" + i).start();
    }

    try {
      countDownLatch.await();
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }

    System.out.println("all threads done");
  }
}

上面代码演示了如何使用CountDownLatch实现多个线程同时执行任务，等待所有线程执行完之后再继续执行后续代码。

总结

通过对AQS底层原理连环相扣系列锁面试题分析的分析与讲解，我们可以详细了解AQS的底层原理和实现，从而更好地理解Java并发包中的锁和同步器的使用，对于面试和工作都非常有帮助。