AbstractQueuedSynchronizer在工具类ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier中的应用

在Java.util.concurrent包中，AbstractQueuedSynchronizer的应用非常广泛，而不局限于在ReentrantLock中的实现，本文简要介绍下AbstractQueuedSynchronizer在Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock等类中的应用。

0. 回顾

上文在介绍AQS的时候，介绍了AQS和ReentrantLock类中的Sync子类互相配合完成可重入锁的实现，在这其中AQS所提供的是一套灵活和完整的队列处理机制。由于在AQS中已经提供了完整的队列处理机制，通常是不需要扩展的子类Override的。同时，AQS又提供了state属性和tryAcquire()/tryRelease()等方法，而这些正是需要子类根据具体的需求逻辑灵活实现的扩展点。从ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore和CountDownLatch的实现来看，通常是在这些工具类的中封装实现自己独有的Sync内部类，而Sync就是对AQS的扩展实现。

1. Semaphore

学习操作系统理论课的时候，教材上应该都会讲过信号量这种概念，java.util.concurrent.Semaphore类就是Java中这个概念的实现。比如资源R有5个实体，如果每个线程执行的过程中需要用到1个，那么允许5个线程并发执行，第6个会等待其他线程释放资源后继续执行。

先看一个应用Semaphore的例子：

其中最主要的方法就是acquire()和release()，更详细的可以参看Oracle的API文档。

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ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
finalSemaphore sem = newSemaphore(5);

for(inti = 1; i < 100; i++) {
finalint tid = i;
Runnable semTask = newRunnable() {
publicvoid run() {
try{
sem.acquire();

System.out.println(”running thread with id: ” + tid);
Thread.sleep((long) (Math.random() * 3000));
System.out.println(”completing with id: ” + tid);

sem.release();
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(semTask);
}
exec.shutdown();

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
finalSemaphore sem = newSemaphore(5);

for(inti = 1; i < 100; i++) {
finalint tid = i;
Runnable semTask = newRunnable() {
publicvoid run() {
try{
sem.acquire();

System.out.println("running thread with id: " + tid);
Thread.sleep((long) (Math.random() * 3000));
System.out.println("completing with id: " + tid);

sem.release();
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(semTask);
}
exec.shutdown();

下面看看Semaphore的实现。如果熟悉ReentrantLock的实现，那么Semaphore其实很好理解，简单来讲，Semaphore实际上就是把锁的限制从1变为N。

state存储的是表示剩余可用资源的值

Node采用的是SHARED模式

获得锁之后会尝试传播，释放更多锁

2. CountDownLatch

这个类主要是为了解决多线程中的状态依赖问题。java.util.concurrent.CountDownLatch这个类从名字就可以看出，是以一个递减计数器为基础，多个线程共享这样一个对象，开启一个计数值，某些线程可以等待这个计数器值为0的时候继续任务，调用await()，而那些改变状态的线程需要做的就是使计数器递减，调用countDown()方法。

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ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
finalCountDownLatch cdl = newCountDownLatch(3);

Runnable watingTasks = newRunnable() {
publicvoidrun() {
try{
System.out.println(”there’re 3 tasks here. if all tasks are finished, i will go home.”);
System.out.println(”working…”);

cdl.await();

System.out.println(”ok, i will go home now!”);
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(watingTasks);

for(inti = 0; i < 3; i++) {
finalinttid = i;
Runnable semTask = newRunnable() {
publicvoidrun() {
try{
System.out.println(”starting task ” + tid + “…”);
Thread.sleep((long) (Math.random() * 5000));
System.out.println(”task ” + tid + “ finished”);

cdl.countDown();

}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(semTask);
}
exec.shutdown();

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
finalCountDownLatch cdl = newCountDownLatch(3);

Runnable watingTasks = newRunnable() {
publicvoidrun() {
try{
System.out.println("there're 3 tasks here. if all tasks are finished, i will go home.");
System.out.println("working...");

cdl.await();

System.out.println("ok, i will go home now!");
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(watingTasks);

for(inti = 0; i < 3; i++) {
finalinttid = i;
Runnable semTask = newRunnable() {
publicvoidrun() {
try{
System.out.println("starting task " + tid +  "...");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 5000));
System.out.println("task " + tid +  " finished");

cdl.countDown();

}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(semTask);
}
exec.shutdown();

和Semaphore类似，在使用AQS的实现上，主要有以下几点。

state存储的是count计数变量

Node采用的是SHARED模式

countDown()调用tryReleaseShared使得计数减1

await是调用tryAcquire，实际上就是判断state是否为0

3. ReentrantReadWriteLock

在高并发场景下，为了让任务执行更有效率，将读和写场景分离是有必要的。这是因为读和写在线程安全方面特点的不同，读不改变状态，多个线程是可以同时进行而没有问题的，而写与写、写与读之间都是需要互斥的。在java.util.concurrent中，ReentrantReadWriteLock这个类就是做这个事情的。

具体的使用就不举例了，直接分析下其实现。从类名上看ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock就很相似，实现上也有相似的部分。ReentrantReadWriteLock中封装了ReadLock和WriteLock内部类，而ReentrantReadWriteLock、ReentrantReadWriteLock.ReadLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock中都有自己的Sync类属性，使用的是ReentrantReadWriteLock.Sync实现，而且对象关系上，ReadLock和WriteLock中的sync都是指向ReentrantReadWriteLock对象中的sync引用，即使用了同一个AQS同一套队列，只是将方法分离开来处理。

其中的要点：

state同时存储r和w的个数

WriteLock的锁操作类似ReentrantLock使用互斥节点

而readlock使用共享节点

读锁写锁的逻辑在各自的tryLock中，最终实现在ReadWriteLock的tryReadLock和tryWriteLock中

4. CyclicBarrier

在这里说java.util.concurrent.CyclicBarrier，并非因为其使用了AQS，而是因为它的用法和CountDownLatch有类似之处。CyclicBarrier和CountDownLatch都是处理状态依赖的问题的，而不同之处是使用CyclicBarrier的线程互相依赖，即互相等待，直到达到某一特定状态，这些线程同时继续执行。

CyclicBarrier是基于ReetrantLock和ConditionObject的，await()的时候对计数器递减，并检查是否为0，如果为0则执行CyclicBarrier类对象的barrierCommand（Runnable类对象属性）并signalAll()通知所有等待线程开始下一轮，否则阻塞当前线程。