本课时我们主要讲解 AQS 的重要性,为什么需要 AQS,以及它的作用。
我们先来介绍一下 AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的重要性,来看看 AQS 被用在了哪些类里面。
如图所示,AQS 在 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch、ThreadPoolExcutor 的 Worker 中都有运用(JDK 1.8),AQS 是这些类的底层原理。
而以上这些类,很多都是我们经常使用的类,大部分我们在前面课时中也已经详细介绍过,所以说 JUC 包里很多重要的工具类背后都离不开 AQS 框架,因此 AQS 的重要性不言而喻。
接下来我想介绍一下我对于学习 AQS 的思路的理解。AQS 类的内部结构要比一般的类复杂得多,里面有很多细节,不容易完全掌握,所以如果我们一上来就直接看源码,容易把自己给绕晕,容易陷入细节不能自拔,导致最后铩羽而归。
其实我们大多数的程序员都是业务开发者,而不是 JDK 开发者,所以平时并不需要自己来开发类似于 ReentrantLock 这样的工具类,所以通常而言,我们不会直接使用到 AQS 来进行开发,因为 JDK 已经提供了很多封装好的线程协作工具类,像前面讲解的 ReentrantLock、Semaphore 就是 JDK 提供给我们的,其内部就用到了 AQS,而这些工具类已经基本足够覆盖大部分的业务场景了,这就使得我们即便不了解 AQS,也能利用这些工具类顺利进行开发。
既然我们学习 AQS 的目的不是进行代码开发,那我们为什么还需要学习 AQS 呢?我认为,我们学习 AQS 的目的主要是想理解其背后的原理、学习设计思想,以提高技术并应对面试。所以本课时的主要目的是从宏观的角度去解读 AQS,比如知道为什么需要 AQS、AQS 有什么作用,在了解了宏观思想之后,再去分析它的内部结构,学习起来就轻松多了。
就让我们从熟悉的类作为学习 AQS 的切入点,请你先来思考一下,之前学过的 ReentrantLock 和 Semaphore,二者之间有没有什么共同点?
其实它们都可以当做一个阀门来使用。比如我们把 Semaphore 的许可证数量设置为 1,那么由于它只有一个许可证,所以只能允许一个线程通过,并且当之前的线程归还许可证后,会允许其他线程继续获得许可证。其实这点和 ReentrantLock 很像,只有一个线程能获得锁,并且当这个线程释放锁之后,会允许其他的线程获得锁。那如果线程发现当前没有额外的许可证时,或者当前得不到锁,那么线程就会被阻塞,并且等到后续有许可证或者锁释放出来后,被唤醒,所以这些环节都是比较类似的。
除了上面讲的 ReentrantLock 和 Semaphore 之外,我们会发现 CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock 等工具类都有类似的让线程“协作”的功能,其实它们背后都是利用 AQS 来实现的。
有了上面的铺垫,现在就让我们来想一下,为什么需要 AQS?
原因是,上面刚讲的那些协作类,它们有很多工作是类似的,所以如果能把实现类似工作的代码给提取出来,变成一个新的底层工具类(或称为框架)的话,就可以直接使用这个工具类来构建上层代码了,而这个工具类其实就是 AQS。
有了 AQS 之后,对于 ReentrantLock 和 Semaphore 等线程协作工具类而言,它们就不需要关心这么多的线程调度细节,只需要实现它们各自的设计逻辑即可。
那我们再尝试逆向思考一下,如果没有 AQS 会怎么样?
如果没有 AQS,那就需要每个线程协作工具类自己去实现至少以下内容,包括:
这里的状态对于不同的工具类而言,代表不同的含义,比如对于 ReentrantLock 而言,它需要维护锁被重入的次数,但是保存重入次数的变量是会被多线程同时操作的,就需要进行处理,以便保证线程安全。不仅如此,对于那些未抢到锁的线程,还应该让它们陷入阻塞,并进行排队,并在合适的时机唤醒。所以说这些内容其实是比较繁琐的,而且也是比较重复的,而这些工作目前都由 AQS 来承担了。
如果没有 AQS,就需要 ReentrantLock 等类来自己实现相关的逻辑,但是让每个线程协作工具类自己去正确并且高效地实现这些内容,是相当有难度的。AQS 可以帮我们把 “脏活累活” 都搞定,所以对于 ReentrantLock 和 Semaphore 等类而言,它们只需要关注自己特有的业务逻辑即可。正所谓是“哪有什么岁月静好,不过是有人替你负重前行”。
如果看到这里,你还不是特别理解 AQS 的作用,那就请看接下来的这个比喻,我们把 AQS 和线程协作工具类给“拟人化”,比作是 HR 和面试官。
这里模拟候选人参加校招面试的场景。对公司而言,面试一般需要面试官和 HR 参加。通常有两种面试,一种是群面,一种是单面,群面是指多个同学一起参加的面试,例如规定是 10 个人一起面试,那群面规则就是先凑齐 10 个人,再统一面试。
而单面往往是流水线形式的、一对一的面试。假设我们一共有 5 个面试官进行单面,即这 5 个面试官同时分别面试一个候选人,在面试过程中,候选人会进行排队,前面的候选人面试完了以后,后面候选人就跟上,找空闲的面试官开始面试,这就是单面的场景。
乍看起来,群面和单面的面试规则是很不一样的:前者是多人一起面试,而后者是逐个面试。但也其实,群面和单面也有很多相同的地方(或者称为流程或环节),而这些相同的地方往往都是由 HR 负责的。比如面试者来了,HR 需要安排候选人签到、就坐等待、排队,然后 HR 要按顺序叫号,从而避免发生多个候选人冲突的情况,同时 HR 还要确保等待的同学最终都会被叫到,这一系列的内容都由 HR 负责,而这些内容无论是单面还是群面都是一样的。这些 HR 在面试中所做的工作,其实就可以比作是 AQS 所干的活儿。
至于具体的面试规则,比如群面规则是 5 个人还是 10 个人一起?是单面还是群?这些是由面试官来安排的。对于面试官而言,他不会关心候选人是否号码冲突、如何等待、如何叫号,是否有休息的场地等,因为这是 HR 的职责范围。
这里的面试官就对应利用了 AQS 实现具体的协作逻辑的工具类,而 HR 则代表 AQS。刚才所说的让候选人休息,就是指把线程进行阻塞,不要持续耗费 CPU;而后续叫号让候选人去面试,则意味着去唤醒线程。
群面的流程类似于 CountDownLatch,CountDownLatch 会先设置需要倒数的初始值,假设为 10,每来一个候选人,计数减 1,如果 10 个人都到齐了,就开始面试。同样,单面可以理解为是 Semaphore 信号量,假设有 5 个许可证,每个线程每次获取 1 个许可证,这就类似于有 5 个面试官并行面试,候选人在面试之前需要先获得许可证,面试结束后归还许可证。
对于 CountDownLatch 和 Semaphore 等工具类而言,它要确定自己的“要人”规则,是凑齐 10 个候选人一起面试,像群面一样呢?还是出 1 进 1,像单面一样呢?确定了规则之后,剩下的类似招呼面试者(类比于调度线程)等一系列工作可以交给 AQS 来做,这样一来,各自的职责就非常独立且分明了。
好,在有了上面的理解之后,现在我们来总结一下 AQS 的作用。
AQS 是一个用于构建锁、同步器等线程协作工具类的框架,有了 AQS 以后,很多用于线程协作的工具类就都可以很方便的被写出来,有了 AQS 之后,可以让更上层的开发极大的减少工作量,避免重复造轮子,同时也避免了上层因处理不当而导致的线程安全问题,因为 AQS 把这些事情都做好了。总之,有了 AQS 之后,我们构建线程协作工具类就容易多了。
在本课时中,我们主要介绍了学习 AQS 的思路,为什么需要 AQS,以及 AQS 的作用,利用 AQS 可以很方便的实现线程协作工具类,而且 AQS 被广泛应用在了 JUC 包中。