AQS 應用 —— 手寫 Semaphore、CountDownLatch

1 AQS 簡介

• AQS 爲抽象鎖隊列，它內部引入了一個鎖隊列，並實現了獲取鎖隊列失敗後線程的入隊列操作和成功釋放鎖後，喚醒隊列下一個節點線程的出隊列操作
• AQS 也提供了獲取和釋放鎖的模板，子類只要實現獲取/釋放鎖(tryAcquire/tryRelease)的邏輯，就可以實現一個完成的鎖，如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock
• AQS、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 結構與源碼分析 一文中 分析了AQS 的結構

2 Semaphore 簡介

• 需求分析：一個旅遊景區，當人數達到額定值時，就不能在放入進去了，出來一個人才能進去一個人
• 概要設計：AQS 正好可以實現上面的需求
  • 可將 state 變量設爲額定值（state 表示剩餘的可獲取的資源）
  • 當一個線程獲取鎖成功後，將 state - 1。釋放鎖成功後，將 state + 1
  • 當 state < = 0 時，表示沒有資源了，獲取資源的線程將被掛起

2.1 Semaphore 設計

• 以下即是最簡潔的 Semaphore 所需要的核心代碼，自己實現的僅僅只有 tryAcquireShared()、tryReleaseShared()。其餘的部分都被 AQS 實現了，可見 AQS 的強大。

public class MySemaphore {
    private Sync sync;
    public MySemaphore(int permits) {
        this.sync = new Sync(permits);
    }
    //我覺得不應該響應中斷，因爲被中斷的鎖顯然沒有獲取到鎖，這時就會走 finally 中的 release() 方法來釋放鎖，這樣就可能會拋 error 錯誤了
    public void acquire() {sync.acquireShared(1);}
    public void release() {sync.releaseShared(1);}
    static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private int max;
        public Sync(int permits) {
            setState(permits);
            max = permits;
        }
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {
            int state;
            for (;;) {
                //當資源不夠的時候就要阻塞當前線程了，否則一直循環CAS，直到成功爲止，因爲只要有資源就不應該被阻塞
                if ((state = getState()) - arg < 0) return -1;
                if (compareAndSetState(state,state-arg)){
                    return 1;
                }
            }
        }
        @Override
        //因爲沒有辦法判斷線程是否持有共享鎖，爲了防止隨意釋放，就直接拋 error 了
        //每次釋放必定成功，因爲每次釋放，都應該喚醒等待隊列中的線程
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            for(;;) {
                int state = getState();
                int nextS = state + arg;
                if (nextS > max) {
                    throw new Error("acquire 和  release 的個數不相同！");
                }
                if (compareAndSetState(state,nextS)) {
                    return true;
                }
            }
        }
    }
}

3 CountDownLatch 簡介

• 需求分析：某場考試，只有所有考生都來了之後，監考老師才能髮捲子（真實情況不可能哦）
• 概要設計：同樣可以用 AQS 來實現
  • 可將額定值設爲 state 變量（state 的值表示有多少把鎖還沒有被釋放）
  • 某個考試入場，則釋放一把鎖（state - 1)，如果 state == 0 時，才喚醒所有等待鎖的線程(監考老師)
  • 並且獲取鎖成功的條件是 state <= 0

3.1 CountDownLatch 設計

• 同樣最簡潔的 CountDownLatch 所需要的核心代碼，也僅僅實現了 tryAcquireShared() 和 tryReleaseShared() 方法，就將我們需要的功能實現了，可見 AQS 的強大

public class MyCountDownLatch {
    private Sync sync;
    public MyCountDownLatch(int count){sync = new Sync(count);}
    
    public void countDown(){sync.releaseShared(1);}
    //這裏的 await() 方法可以設計成響應中斷模式，因爲 CountDownLatch 釋放鎖的操作是由其他線程調用的
    public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);}

    static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        public Sync(int count) {setState(count);}
        //當 state 爲 0 的時候才獲取到，不爲0就被阻塞
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {return getState() <= 0 ? 1 : -1;}
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            for(;;) {
                int state = getState();
                //如果 state 已經小於等於0了，說明等待線程已經被喚醒了。就不用這個線程來再次喚醒了
                if (state <= 0) return false;
                int nextS = state - arg;
                if (compareAndSetState(state,nextS)) {
                    return nextS <= 0;//這時如果小於等於0，就應該去喚醒等待線程了
                }
            }
        }
    }
}

4 總結

• 我們只需通過重寫 AQS 中的 獲取鎖、釋放鎖方法，就可以實現各種功能的鎖！
• 並且 AQS 已經爲我們提供了中斷鎖、tryLock() 的全部代碼。我們僅僅需要實現普通鎖，就可以直接得到另外兩把鎖！