AQS(6):闭锁和信号量

CountDownLatch

闭锁可以使一个或多个线程等待一组事件的发生,内部的计数器记录了事件的数量。两个主要的方法就是await和countDown。

public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
 public void countDown() {
        sync.releaseShared(1)
}

可以看到,这两种均使用了AQS中的共享类型方法。因此在同步器中他也需要实现tryAcquiredShared方法和tryReleaseShared方法。在tryAcquiredShared实现中,如果state=0则表示成功返回1(要等待的事件全部发生),表示后续的acquire也会成功,否则返回-1表示acquire失败。在tryReleaseShared方法中,获取state并减1(发生了一个事件),如果减到0则release成功。

然后我们描述一下await的整个过程。首先我们假设CountDownLatch的初始值为n。一个线程调用了await方法,此时同步器调用acquireSharedInterruptibly(1)。在这个方法中,首先会在共享模式下try一下,根据上一段我们的描述,此时state=n显然不为0,那么try失败,调用doAcquireSharedInterruptibly。在这个方法里,与其他acquire方法基本类似,都会在同步队列添加一个节点,然后判断前驱是否为head以决定能否立即try一次。如果前驱为head,并且try成功了需要调用setHeadAndPropagate(显然本次不会调用)。然后会把前驱设为SIGNAL并阻塞当前线程。

接下来是countDown过程,表示一个事件发生了。还是一样的首先都会try一下,获取state并减1,此时state=n-1.我们先假设state仍旧大于0即还有事件没有发生,那么tryReleaseShared会返回false。这种情况下releaseShared会直接返回!

那么当state=1的时候又调用了一次releaseShared会发生什么呢。同样的我们先try一下,这是经过CAS比较我们发现state=0了!然后我们就需要研究一下同步队列了,如果队列头结点是SIGNAL,就表明它的后继正等待被唤醒,然后我们就解锁其后继节点(只解锁了一个!)。这时,第一个进入同步队列的线程被唤醒,它将从被阻塞的地方继续执行,然后调用一次tryAcquireShared,此时会成功,因为state=0了。然后该节点将自己设置为队列头(setHeadAndPropagate),并在该方法内调用了一次doReleaseShared,这将导致后续的节点被依次唤醒。

Semaphore

信号量中有两种模式,即公平和非公平模式。它用于实现控制同时访问某个资源的操作数量。唯一的区别就是在tryAcquire的时候,公平模式会先看一下所在同步队列前面有没有节点在等,如果有则标记自己本次try失败。

Semaphore的acquire操作会调用acquireSharedInterruptibly方法。此时如果资源数够,那么CAS设置state。如果资源不够,就需要进入同步队列等待了。其执行结构与CountDownLatch并无区别。但要注意的是这里的tryAcquire很好的反映了该方法的定义,如果返回值>0,表示后继的acquire可能会成功;如果返回值=0,那么本次成功,后继的acquire不成功;如果<0则失败。当资源值小于等于0的时候线程就会被park方法阻塞掉。

同样的release操作会将信号量state递增,并解锁一个后继节点。被唤醒的线程会继续尝试tryAcquire,如果递增后的信号量依旧小于0,那么继续阻塞。如果大于0,那么try成功,该节点将自己设为头结点并继续调用doReleaseShared()方法解锁后继节点。

通过这两种可以发现,利用同步器的工具类需要的就是根据自己的需求实现相关的acquire和release操作。在闭锁中,acquire成功与否取决于事件数是否为0,而在信号量中则取决于资源数是否大于0.同样,操作release,闭锁需要将事件数-1,而信号量需要将事件数+1.这两种同步工具类均使用了共享模式,因为可能允许多个线程同时获取锁。并且release导致的解锁只会解锁一个后继节点,后续节点的解锁操作将依靠前驱节点的传播过程。

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