Java并发框架——同步状态的管理

整个AQS框架核心功能都是围绕着其32位整型属性state进行，一般可以说它表示锁的数量，对同步状态的控制可以实现不同的同步工具，例如闭锁、信号量、栅栏等等。为了保证可见性此变量被声明为volatile，保证每次的原子更新都将及时反映到每条线程上。而对于同步状态的管理可以大体分为两块，一是独占模式的管理，另外是共享模式的管理。通过对这两种模式的灵活变换可以实现多种不同的同步器，如下图，对state的控制可以看成一个管道，管道的大小决定了同时通过的线程，独占模式好比宽度只容许一个线程通过的管道，在这种模式下线程只能逐一通过管道，任意时刻管内只能存在一条线程，这便形成了互斥效果。而共享模式就是管道宽度大于1的管道，可以同时让n条管道通过，吞吐量增加但可能存在共享数据一致性问题。（注意：两种模式的讨论忽略了队列的管理逻辑，实际上CLH Node的引入是为了优化竞争带来的性能问题，不影响同步状态管理的探讨）
 
图2-5-9-5 独占模式与共享模式
如何通过state实现独占模式和共享模式？在此之前先了解AQS框架中相关的getState、setState、compareAndSetState三个操作state的基本方法，前两个方法是普通的获取设置方法，其必须保证不存在数据竞争的情况下使用，compareAndSetState方法则提供了CAS方式的硬件级别的原子更新。两种模式就是通过这些方法对state操作实现不同同步模式，下面给出最简单的实现。
 独占模式
public boolean tryAcquire(int acquires) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryRelease(int releases) {
setState(0);
return true;
}
多条线程通过tryAcquire尝试把state变量改为1，由于CAS算法的保证，最终有且仅有一条线程成功修改state，修改成功的线程代表获取锁成功，将拥有往下执行的权利，进入管道。当执行完毕退出管道时执行tryRelease尝试把state变量改为0，让出管道，此处由于不存在线程竞争所以可直接使用setState，接着其他未通过的线程继续重复尝试。
 共享模式
public int tryAcquireShared(int interval) {
for (;;) {
int current = getState();
int newCount = current - 1;
if (newCount < 0 || compareAndSetState(current, newCount)) {
return newCount;
}
}
}
public boolean tryReleaseShared(int interval) {
for (;;) {
int current = getState();
int newCount = current + 1;
if (compareAndSetState(current, newCount)) {
return true;
}
}
}
与独占模式不同的是对state的管理及判断条件，独占模式state的值只能为0或1，而共享模式的state是可以被出事换成任意整数，一般初始值表示提供一个同时n条线程通过的管道宽度，这样一来，多条线程通过tryAcquireShared尝试将state的值减去1，成功修改state后就返回新值，只有当新值大于等于0才表示获取锁成功，拥有往下执行的权利，进入管道。在执行完毕时线程将调用tryReleaseShared尝试修改state值使之增加1，表示我已经执行完了并让出管道的通道供后面线程使用，需要说明的是与独占模式不同，由于可能存在多条线程并发释放锁，所以此处必须使用基于CAS算法的修改方法，修改成功后其他线程便可继续竞争锁。

ASQ框架提供了对同步状态state的基本操作，了解了两种模式对state操作开发者可能很自由地自定义自己的同步器。实际中AQS框架在提供state状态管理接口的同时也将维护等待队列的工作，两项工作被封装成一个模板，规定了工作流程，工作流程包括什么条件下加入等待队列、什么条件移除等待节点、如何操作等待队列、需不需要阻塞、支不支持中断等等，对外仅仅提供state状态操作接口供开发者自定义，而队列的维护工作已经绑定在模板中，无需你自己动手。

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