深入理解AQS的设计和工作机制

Oracle官方文档中的AbstractQueuedSynchronizer部分讲解

AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）是Java并发包中的一个基础框架，它为实现依赖单个原子变量来表示状态的同步器提供了可靠的基础。这个框架被广泛用于Java标准库中许多同步器的实现，例如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 和 ReadWriteLock 等。

AQS的核心思想

AQS利用一个整型的变量（称为state）来表示同步状态，并通过内部维护一个FIFO队列来管理那些获取到同步状态失败的线程。AQS支持两种同步模式：

1. 独占模式：此模式下每次只允许一个线程持有资源。例如，ReentrantLock 就是一个基于独占模式的同步器。
2. 共享模式：此模式下允许多个线程同时持有资源。例如，Semaphore 和 CountDownLatch 是基于共享模式的同步器。

AQS的主要组件

AQS的设计包括以下几个主要的组件：

• 同步状态（State）：一个volatile修饰的整型变量，用于控制同步器的状态。
• 等待队列：一个FIFO队列，用来管理无法获取到同步状态的线程。队列的每个节点（Node）封装了一个线程及其等待状态。
• Node类：代表等待队列中的一个节点，其中封装了线程引用、状态标记等信息。

AQS的操作方法

AQS为同步器的实现提供了一系列的方法，这些方法可以分为三大类：

1. 状态管理方法：包括方法来获取和设置状态。

   • getState()：获取当前同步状态。
   • setState(int newState)：设置当前同步状态。
   • compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS操作更新状态。

2. 队列管理方法：用于管理等待队列中的线程。

   • enq(final Node node)：将节点插入队列。
   • addWaiter(Node mode)：将当前线程封装为节点，加入等待队列。

3. 阻塞和唤醒方法：

   • parkAndCheckInterrupt()：阻塞线程直到被唤醒或中断。
   • unparkSuccessor(Node node)：唤醒在节点上等待的线程。

如何使用AQS

要使用AQS，你需要扩展AbstractQueuedSynchronizer并实现其受保护的方法来管理同步状态。以下是定义一个简单的二元闭锁（binary latch）的示例，这个闭锁允许一次性地透过：

class BooleanLatch extends AbstractQueuedSynchronizer {public boolean isSignalled() { return getState() != 0; }protected int tryAcquireShared(int ignore) {return isSignalled() ? 1 : -1;}protected boolean tryReleaseShared(int ignore) {setState(1); // 设置闭锁的状态return true; // 现在其他线程可以获取这个闭锁}public void signal() {releaseShared(1);}
}

总结

AQS是实现定制同步器的强大工具，其设计抽象且功能强大，允许通过简单的方式来实现复杂的同步需求。通过学习和使用AQS，可以极大地扩展Java并发编程的能力，并深入理解并发控制机制。如果你需要更深入的理解AQS，阅读Oracle官方文档关于AQS部分将提供丰富的信息和示例，帮助你更好地理解和利用这一框架。

探索ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch, CyclicBarrier等基于AQS的同步器

Java的AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 提供了一个强大的框架来支持多种同步机制，其中包括ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch, 和 CyclicBarrier。这些同步器演示了AQS如何通过简单而强大的API来提供不同级别的并发控制。

1. ReentrantLock（可重入锁）

ReentrantLock 是一个提供可重入功能的锁，它比内置的synchronized锁提供了更多的功能和灵活性。使用ReentrantLock，你可以进行精细的锁控制，比如可以实现公平锁（按照请求锁的顺序授予锁）和非公平锁（无序授予）。

关键特性：

• 可重入：线程可以重复获取已经持有的锁。
• 支持中断的锁获取操作：线程试图获取锁的操作可以被中断。
• 支持超时：尝试获取锁时可以带有超时时间。
• 支持公平锁和非公平锁设置。

示例用法：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {lock.lock();// 受保护的临界区
} finally {lock.unlock();
}

2. Semaphore（信号量）

Semaphore 管理一组许可证，它可以用于控制同时访问某个特定资源的操作数量。信号量常用于资源池，例如限制最大的数据库连接数。

关键特性：

• 初始化时指定许可证数量。
• 线程可以申请释放一个或多个许可。
• 当信号量中没有许可时，线程将阻塞直到许可可用。

示例用法：

Semaphore semaphore = new Semaphore(10); // 10个许可
try {semaphore.acquire();// 执行操作
} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();
} finally {semaphore.release();
}

3. CountDownLatch（倒计时门闩）

CountDownLatch 允许一个或多个线程等待一系列指定操作的完成。CountDownLatch 是一次性的，计数器不能被重置。

关键特性：

• 初始化时指定计数值。
• 主要方法是countDown()，用于递减计数器。
• await() 方法阻塞直到计数器达到零。

示例用法：

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
new Thread(() -> {// perform some operationslatch.countDown();
}).start();
latch.await();  // 等待计数到达0

4. CyclicBarrier（循环栅栏）

CyclicBarrier 使一定数量的线程互相等待，直至所有线程都到达栅栏位置，然后可以选择性地执行一个Runnable任务。与CountDownLatch不同的是，CyclicBarrier是可重用的。

关键特性：

• 初始化时指定等待的线程数量。
• 所有线程必须到达屏障点，屏障才会打开，之后可以重新使用。

示例用法：

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> System.out.println("Barrier action!"));
for(int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {// do some taskbarrier.await();}).start();
}

这些工具提供了强大的多线程同步功能，每个工具适用于不同的并发编程场景，能有效地帮助开发者控制并发流程和资源访问。

分析ReentrantLock和synchronized之间的差异

ReentrantLock 和 synchronized 都提供了在多线程环境下进行互斥控制的能力，以确保线程安全。尽管它们的目标相同，即防止对共享资源的并发访问，但它们在实现方式、功能以及使用灵活性上有一些关键的差异。

1. 基本特性和用法

synchronized：

• synchronized 是Java中的一个关键字，用于修饰一个方法或一个代码块。
• synchronized 方法或代码块的锁定对象对于方法是调用者对象，对于静态方法是类的Class对象，对于代码块是括号里配置的对象。
• 当线程进入一个 synchronized 方法或代码块时，它会自动获得锁，并在退出时自动释放锁（即使是由于异常退出）。

ReentrantLock：

• ReentrantLock 是java.util.concurrent包中的一个API，它实现了Lock接口。
• 使用ReentrantLock时需要显示地创建一个ReentrantLock实例，并在开始同步前调用lock()，在结束同步后调用unlock()。
• ReentrantLock提供了一种能够中断锁获取等待过程的能力，还可以尝试非阻塞地获取锁或尝试在给定的等待时间内获取锁。

2. 功能差异

锁的公平性：

• synchronized 块内部的锁是不公平的，不能保证等待时间最长的线程会首先获取锁。
• ReentrantLock 提供了选择公平性或非公平性的构造函数。公平锁保证了按照线程从等待状态解除的顺序来获取锁。

条件变量支持：

• synchronized 使用Object类中的wait(), notify(), 和 notifyAll()方法来实现等待/通知机制，这些方法必须在同步块或方法中使用。
• ReentrantLock 使用Condition接口来创建不同的等待集，这可以更精细地控制线程间的协作，比如实现多条件队列。

锁绑定多个条件：

• synchronized 关键字不支持多条件变量，每个锁对象只与一个单一的内置条件队列相关联。
• ReentrantLock 允许绑定多个条件对象，每个条件对象都有一个条件队列，这对于实现复杂的同步模式更为灵活和有效。

3. 性能和使用选择

• 性能：在JDK早期版本中，ReentrantLock 的性能要优于synchronized，因为ReentrantLock提供了更精细的线程调度和锁管理。然而，从Java 6开始，synchronized的实现得到了大幅优化（引入了偏向锁和轻量级锁等机制），使得在没有高度竞争的情况下，synchronized 的性能和ReentrantLock 相差无几。
• 使用选择：如果需要高级功能，如公平性、条件支持、锁投票、定时锁等待和可中断锁的获取，ReentrantLock是更好的选择。对于简单的互斥同步，synchronized 是更方便直接的选择，它能够简化代码，减少编程错误。

总结来说，ReentrantLock 提供了比synchronized 更丰富的操作和更好的灵活性。然而，synchronized 在简化开发和防止锁未正确释放方面仍有其独到之处。选择哪一种，应根据具体需求和上下文决定。

通过示例理解CountDownLatch和Semaphore的工作原理

CountDownLatch 和 Semaphore 是Java并发包中的两种非常有用的同步工具，它们各自支持不同的并发编程场景。以下是这两个工具的工作原理及其示例应用。

CountDownLatch

CountDownLatch 是一个同步辅助类，用于延迟线程进程直到其它线程的操作全部完成。它通过一个计数器来实现，该计数器在构造时被初始化为需要等待的事件的数量。每当一个事件完成后，计数器值就递减。计数到达零时，所有等待的线程都被释放以继续执行。

应用场景：

• 确保某些操作直到其它操作全部完成后才继续执行。
• 等待服务的初始化。

示例：假设我们在启动应用程序时需要加载一些必需的资源，可以使用CountDownLatch来确保所有资源加载完成后应用程序才继续执行。

int count = 3; // 假设有三个资源需要加载
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(count);for (int i = 1; i <= count; i++) {final int resourceNumber = i;new Thread(() -> {try {// 模拟资源加载Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));System.out.println("Resource " + resourceNumber + " loaded");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}latch.countDown();}).start();
}try {latch.await(); // 等待所有资源加载完成System.out.println("All resources are loaded. Application is starting now.");
} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();
}

Semaphore

Semaphore 是一个计数信号量，用于控制同时访问某个特定资源的操作数量，或者同时执行某个指定操作的数量。它通过一定数量的"许可"来实现。线程可以通过调用acquire()方法来获取许可，当许可不可用时，acquire()会阻塞直到许可变为可用。线程使用完资源后，需要通过调用release()方法来释放许可。

应用场景：

• 控制资源的并发访问。
• 控制执行流的并发数量。

示例：假设有一个限制了访问数量的数据库连接池，可以使用Semaphore来控制可同时建立的连接数量。

int availableConnections = 10; // 假设连接池只能提供10个连接
Semaphore semaphore = new Semaphore(availableConnections);class Task implements Runnable {public void run() {try {semaphore.acquire();// 模拟数据库操作System.out.println("Connection acquired by " + Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(1000); // 使用连接执行操作} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {semaphore.release();System.out.println("Connection released by " + Thread.currentThread().getName());}}
}for (int i = 0; i < 20; i++) { // 创建20个线程，但只有10个可以同时运行new Thread(new Task(), "Thread " + i).start();
}

在这些示例中，CountDownLatch 用于确保所有预备工作完成后才执行后续操作，而Semaphore 用于管理对有限资源的并发访问。这两种工具的适用场景不同，但都极大地增强了应用程序的并发能力和控制。

实现自定义同步器

查看并理解AQS源代码中关于状态管理和节点队列操作的实现

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发工具的基石之一，提供了一个用于构建锁和其他同步组件的框架。它的实现依赖于内部的同步状态（state）和一个FIFO队列（等待队列）。深入了解AQS的状态管理和节点队列的操作对于理解其如何支持诸如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等的实现至关重要。

状态管理（State Management）

AQS使用一个单一的整数（state）来表示同步状态。这个状态的解释取决于AQS的具体子类实现，例如，在ReentrantLock中，状态表示当前持有锁的次数；在Semaphore中，状态表示剩余的许可数。

主要方法

• getState(): 返回当前的同步状态。
• setState(int newState): 无条件地设置当前的同步状态。
• compareAndSetState(int expect, int update): 这是一个基于compare-and-swap（CAS）的原子操作，它尝试以原子方式更新状态，这是实现非阻塞算法的关键。

protected final int getState() {return state;
}protected final void setState(int newState) {state = newState;
}protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {// See below for intrinsics setup to support thisreturn unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

节点队列操作

AQS的节点队列是一个FIFO队列，用于维护等待获取锁的线程。每个节点（Node）通常封装了一个线程及其等待状态。

Node类

节点（Node）是AQS内部的一个静态嵌套类，它包含了线程引用、指向前一个和后一个节点的链接，以及状态信息。节点状态可以指示线程是否应该被阻塞，是否在等待队列中等待，等等。

static final class Node {volatile int waitStatus;volatile Node prev;volatile Node next;volatile Thread thread;Node nextWaiter;final boolean isShared() {return nextWaiter == SHARED;}final Node predecessor() throws NullPointerException {Node p = prev;if (p == null)throw new NullPointerException();elsereturn p;}
}

队列操作

• enq(final Node node): 将节点插入队列。
• addWaiter(Node mode): 将当前线程封装为节点，添加到队列末尾。

private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t = tail;if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
}private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// Try the fast path of enq; backup to full enq on failureNode pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}enq(node);return node;
}

结论

通过这些方法和内部机制，AQS为锁和其他同步器提供了强大的支持，使得它们可以高效地管理同步状态和等待队列。AQS的设计允许开发者通过继承和实现其方法来创建可靠的自定义同步工具，而无需从头开始处理复杂的同步问题。理解这些核心功能对于深入学习Java并发是非常重要的。

学习如何使用tryAcquire, tryRelease, tryAcquireShared, tryReleaseShared方法

AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 提供了几种核心方法，它们是同步器实现的基石。这些方法包括 tryAcquire, tryRelease, tryAcquireShared, 和 tryReleaseShared。这些方法需要在你扩展 AQS 时根据具体的同步行为来实现。下面我们将详细讨论这些方法的用法和如何在你的同步器中实现它们。

1. tryAcquire(int arg) 和 tryRelease(int arg)

这两个方法用于实现独占模式的同步器，即一次只能有一个线程成功获取同步状态。

tryAcquire(int arg):

• 这个方法尝试获取同步状态。
• 如果获取成功，则返回 true，否则返回 false。
• 它的参数 arg 可以被用来表示获取的数量或者基于请求的模式。

tryRelease(int arg):

• 这个方法尝试释放同步状态。
• 如果释放后允许其他线程获取同步状态，则应返回 true；如果当前同步状态不允许其他线程获取同步状态，则返回 false。
• 参数 arg 通常表示释放的数量。

示例：下面是一个基于 ReentrantLock 风格的简化锁的实现。

protected boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;
}protected boolean tryRelease(int releases) {int c = getState() - releases;if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free = false;if (c == 0) {free = true;setExclusiveOwnerThread(null);}setState(c);return free;
}

2. tryAcquireShared(int arg) 和 tryReleaseShared(int arg)

这两个方法用于实现共享模式的同步器，允许多个线程同时获取同步状态。

tryAcquireShared(int arg):

• 这个方法尝试以共享方式获取同步状态。
• 返回值指示获取是否成功，以及后续的获取请求是否也应该成功。
• 返回值为负表示失败；为0表示成功，但后续获取不会成功；正值表示成功，且后续获取也可能成功。

tryReleaseShared(int arg):

• 这个方法尝试以共享方式释放同步状态。
• 如果释放后其他线程可以获取同步状态，则返回 true，否则返回 false。

示例：基于 CountDownLatch 风格的简化实现。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}protected boolean tryReleaseShared(int releases) {// Decrement count; signal when transition to zerofor (;;) {int c = getState();if (c == 0)return false;int nextc = c - 1;if (compareAndSetState(c, nextc))return nextc == 0;}
}

在自定义同步器时实现这些方法，可以使得同步器行为具体化，满足特定的并发控制需求。AQS 的这些方法提供了一个强大的框架，以支持各种高级同步特性。

设计并实现一个简单的互斥锁（不可重入锁）

设计并实现一个简单的互斥锁（不可重入锁）可以通过扩展Java的AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 来完成。这种锁只允许一个线程在同一时间持有锁，并且与ReentrantLock不同，它不允许同一线程多次获得锁。这意味着如果一个线程已经持有锁，它再次尝试获取锁时会失败或阻塞。

以下是创建一个简单互斥锁的步骤：

步骤 1: 定义锁类

首先，我们需要定义一个新的类，这个类继承自AbstractQueuedSynchronizer：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public class MutexLock {private final Sync sync = new Sync();// 尝试获取锁public void lock() {sync.acquire(1);}// 尝试释放锁public void unlock() {sync.release(1);}// 检查是否被某个线程持有public boolean isLocked() {return sync.isHeldExclusively();}// 定义Sync对象，继承自AQSprivate static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 当状态为0时获取锁protected boolean tryAcquire(int acquires) {assert acquires == 1; // Otherwise unusedif (compareAndSetState(0, 1)) {setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());return true;}return false;}// 释放锁，将状态设置为0protected boolean tryRelease(int releases) {assert releases == 1; // Otherwise unusedif (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);return true;}// 是否被独占protected boolean isHeldExclusively() {return getState() == 1 && getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();}}
}

步骤 2: 解释代码

• Sync 类是一个继承自AbstractQueuedSynchronizer的静态内部类，用于定义锁的行为。
• tryAcquire(int acquires) 方法用于尝试获取锁。如果当前状态是0（未锁定），则使用CAS（Compare-And-Swap）操作将状态设置为1（锁定），并将持有锁的线程设置为当前线程。
• tryRelease(int releases) 方法用于释放锁。它将锁的状态设置回0，并清除持有锁的线程。
• isHeldExclusively() 方法检查当前线程是否持有这个锁。

步骤 3: 使用锁

以下是使用MutexLock的示例：

public class MutexLockTest {private final MutexLock mutex = new MutexLock();public void performAction() {mutex.lock();try {// 临界区代码System.out.println("Locked by thread " + Thread.currentThread().getName());} finally {mutex.unlock();}}public static void main(String[] args) {MutexLockTest test = new MutexLockTest();Thread t1 = new Thread(test::performAction);Thread t2 = new Thread(test::performAction);t1.start();t2.start();}
}

这个简单的互斥锁实现确保了每次只有一个线程可以进入临界区，展示了AQS在实现自定义同步器时的强大功能和灵活性。

实现一个共享锁（如读写锁中的读锁部分）

实现一个共享锁，特别是类似读写锁中的读锁部分，通常意味着该锁可以被多个读线程同时持有，但当写锁被持有时，所有读锁的请求必须等待。这种类型的锁是共享的，允许多个线程并发访问资源，但只要有一个线程想要写入，所有的读线程都必须等待。

下面我将展示如何使用Java中的AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 来实现这样一个简单的读锁。这将涉及到使用tryAcquireShared和tryReleaseShared方法。

步骤 1: 定义锁类

首先，定义一个新的类，继承自AbstractQueuedSynchronizer：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public class ReadLock {private final Sync sync = new Sync();public void lock() {sync.acquireShared(1);}public void unlock() {sync.releaseShared(1);}private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {protected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {int current = getState();if (current < 0) // 负状态表示写锁被占用return -1;int next = current + acquires;if (compareAndSetState(current, next))return 1; // 成功获取共享锁}}protected boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {int current = getState();int next = current - releases;if (compareAndSetState(current, next))return next == 0; // 返回true表示成功释放锁且没有其他线程持有锁}}}
}

步骤 2: 解释代码

• Sync 类是一个静态内部类，继承自AbstractQueuedSynchronizer，用于定义锁的行为。
• tryAcquireShared(int acquires) 方法用于尝试以共享方式获取锁。该方法首先检查当前状态，如果是负值（表示写锁被持有），则返回-1，阻止读锁获取。如果是非负值，则尝试通过CAS操作增加状态值，表示增加一个读锁持有者。
• tryReleaseShared(int releases) 方法尝试以共享方式释放锁。通过CAS操作减少状态值，当状态值回到0时，表示所有读锁都已释放。

步骤 3: 使用锁

以下是使用ReadLock的示例：

public class ReadLockTest {private final ReadLock lock = new ReadLock();public void performRead() {lock.lock();try {// 模拟读取操作System.out.println("Reading by thread " + Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(1000); // 假设读取操作耗时} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {ReadLockTest test = new ReadLockTest();for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(test::performRead).start();}}
}

这个简单的示例创建了一个读锁，允许多个线程同时执行读操作。在真实场景中，你可能还需要实现写锁，以及更复杂的逻辑来处理读锁和写锁之间的交互。但这个示例给出了如何利用AQS实现基本的共享锁的核心思路。

探索AQS的高级用法和性能优化

关于锁优化

这一部分讨论了如何有效地使用锁以提高程序的性能和响应性。

1. 减少锁的竞争

粗粒度锁与细粒度锁

• 粗粒度锁：能够简化程序设计，但可能会减少并发性，因为它们会在一次操作中锁定大量资源。
• 细粒度锁：可以提高并发性，因为它们减少了被锁定的资源数量和时间，但管理这些锁的复杂性会增加，可能导致死锁或其他同步问题。

锁分解

• 将一个锁分解成多个锁，每个锁保护资源的一个独立部分，可以显著提高并发性，尤其是当访问不同资源的操作互不影响时。

锁分段

• 类似于锁分解，但是在更细的级别上应用，如在实现ConcurrentHashMap时使用。这涉及到将数据分割成段，每段数据有其自己的锁。

2. 可重入代码（锁的优化使用）

• 代码在持有锁时应尽量做到可重入，以避免死锁。
• 避免在持有锁时调用外部方法，这些方法可能会尝试再次获取已经持有的锁，或者执行长时间操作。

3. 读写锁的优化使用

• 当数据的读操作远多于写操作时，ReadWriteLock可以提高性能。
• 读写锁允许多个读取者同时访问数据，但写入者需要独占访问。

4. 锁消除和锁粗化

• 锁消除：JVM优化的一部分，它可以在编译时检测到不必要的锁。如果确定代码块中的锁不可能被多个线程同时访问，那么锁可以被完全消除。
• 锁粗化：通常情况下，锁应用于细粒度的操作，但如果发现有大量的小锁操作可以合并为一次较长时间的锁操作，JVM会自动将多个锁合并为一个较大的锁，这样可以减少锁的获取和释放的开销。

5. 使用非阻塞算法

• 利用现代CPU的原子指令（如CAS操作），可以实现无锁的并发控制，从而提高性能。
• 例如，AtomicInteger和其他原子类使用CAS实现了非阻塞的同步机制。

结论

锁优化是一个重要的领域，对于编写高效的并发程序至关重要。理解并合理应用不同类型的锁和同步机制，可以显著提高Java应用程序的性能和可扩展性。这需要程序员不仅要了解基本的同步技术，还要掌握锁的高级应用和优化策略，以及JVM在运行时对同步做的优化。

研究高级功能，如条件变量（Condition对象）

在Java并发编程中，Condition 对象是一种高级工具，用于实现线程间的通信。它更加灵活而强大，与传统的 Object 类中的 wait() 和 notify() 方法相比，Condition 提供了更细粒度的控制和更丰富的功能，比如多个等待/通知队列等。

Condition 接口基础

Condition 接口是与 java.util.concurrent.locks.Lock 接口配合使用的。与 synchronized 关键字自动支持的隐式监视器锁（每个对象自带一个监视器）不同，Condition 需要显式地创建和绑定到一个重入锁（ReentrantLock）。

使用 Condition 对象，可以将锁内的线程分开，使得它们进入不同的等待集。每个 Condition 对象控制一个等待集；线程可以选择性地在这些集合之间进行等待和唤醒，这提供了比单个 wait() 和 notify() 方法更细致的控制。

创建和使用 Condition 对象

以下是如何创建和使用 Condition 对象的基本步骤：

1. 创建 ReentrantLock 实例：首先，需要一个 Lock 对象。
2. 获取 Condition 实例：通过 Lock 对象的 newCondition() 方法创建 Condition 实例。
3. 使用 await() 和 signal() 方法：在锁块中，可以调用 Condition.await() 来挂起线程，以及 Condition.signal() 或 Condition.signalAll() 来唤醒等待中的线程。

示例代码

下面是一个使用 Condition 的简单例子，演示了一个生产者-消费者场景：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class BoundedBuffer {final Lock lock = new ReentrantLock();final Condition notFull  = lock.newCondition(); final Condition notEmpty = lock.newCondition(); final Object[] items = new Object[100];int putptr, takeptr, count;public void put(Object x) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (count == items.length) {notFull.await(); // 等待：直到有空位}items[putptr] = x;if (++putptr == items.length) putptr = 0;++count;notEmpty.signal(); // 通知：不为空} finally {lock.unlock();}}public Object take() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (count == 0) {notEmpty.await(); // 等待：直到有元素}Object x = items[takeptr];if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;--count;notFull.signal(); // 通知：未满} finally {lock.unlock();}return x;}
}

高级功能

• 精确唤醒：与 Object.notify() 随机唤醒线程或 notifyAll() 唤醒所有等待线程不同，Condition 允许你精确唤醒某个等待集中的线程。
• 多条件协调：可以使用多个 Condition 实例来管理复杂的线程协调逻辑，例如在生产者-消费者模式中分别控制空位和可用项。

Condition 提供的这些功能使得线程间协调更加灵活，但也需要更细致的控制和正确的使用方式，以避免死锁或性能问题。

使用Condition实现生产者消费者模式

使用 Condition 实现生产者-消费者模式是一个非常适合展示其功能的例子。在这个模式中，生产者向缓冲区添加数据，而消费者从中取数据。使用 Condition 对象可以精确地控制何时生产者应该等待空间变得可用，以及何时消费者应该等待数据变得可用。

步骤与关键点

以下是实现生产者-消费者模式的步骤，包括关键点的说明：

1. 定义共享资源（缓冲区）
2. 使用 Lock 来保证线程安全
3. 使用两个 Condition 实例分别控制空间和数据的可用性

示例代码

下面是使用 ReentrantLock 和 Condition 的生产者-消费者示例：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ProducerConsumerExample {private static final int CAPACITY = 10;private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = lock.newCondition();private final Condition notEmpty = lock.newCondition();class Producer implements Runnable {public void run() {int value = 0;while (true) {try {lock.lock();while (queue.size() == CAPACITY) {notFull.await(); // 等待，直到缓冲区有空间}queue.offer(value);System.out.println("Produced " + value);value++;notEmpty.signal(); // 通知消费者缓冲区有数据可消费} catch (InterruptedException ex) {ex.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();} finally {lock.unlock();}try {Thread.sleep(1000); // 模拟生产所需时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}class Consumer implements Runnable {public void run() {while (true) {try {lock.lock();while (queue.isEmpty()) {notEmpty.await(); // 等待，直到缓冲区有数据}int value = queue.poll();System.out.println("Consumed " + value);notFull.signal(); // 通知生产者缓冲区有空间了} catch (InterruptedException ex) {ex.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();} finally {lock.unlock();}try {Thread.sleep(1000); // 模拟消费所需时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}public void start() {new Thread(new Producer()).start();new Thread(new Consumer()).start();}public static void main(String[] args) {new ProducerConsumerExample().start();}
}

说明

• 锁和条件变量：使用一个 ReentrantLock 和两个 Condition 实例。一个 Condition 用于控制不空（notEmpty），另一个用于控制不满（notFull）。
• 生产者：当缓冲区满时，生产者通过 notFull.await() 进入等待状态。生产数据后，通过 notEmpty.signal() 通知消费者。
• 消费者：当缓冲区空时，消费者通过 notEmpty.await() 进入等待状态。消费数据后，通过 notFull.signal() 通知生产者。

这个示例展示了如何使用 Condition 提供精确的线程间协调，使生产者和消费者能够有效地共享资源而不会发生冲突。使用 Condition 相比传统的 Object 监视方法（wait/notify）可以更好地控制线程的唤醒和等待，增强了并发程序的效率和可控性。

分析并比较自定义同步器和Java标准库中的同步器在不同场景下的性能和资源消耗

分析并比较自定义同步器与Java标准库中的同步器在不同场景下的性能和资源消耗，我们需要考虑几个关键因素，如设计复杂度、适应性、性能开销、以及功能的广泛性。这些因素对于决定在具体场景中应该使用标准库的同步器还是自定义同步器至关重要。

设计复杂度和适应性

1. Java标准库同步器：

   • 设计与实现：Java标准库（如java.util.concurrent）提供的同步器，如ReentrantLock、Semaphore、ReadWriteLock等，已经为多种通用并发模式提供了高度优化和经过充分测试的实现。
   • 适应性：这些同步器通常涵盖了大多数并发应用场景的需求，因此在很多情况下，开发者无需深入了解底层的并发机制。

2. 自定义同步器：

   • 设计与实现：使用AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架开发自定义同步器，允许开发者根据特定需求构建精确的同步语义。这种方法提供了极高的灵活性，但需要深入理解并发编程和AQS的工作原理。
   • 适应性：自定义同步器可以针对特定问题进行优化，解决标准库同步器可能无法高效处理的特殊场景。

性能开销和资源消耗

1. Java标准库同步器：

   • 性能：标准库中的同步器针对多种操作系统和硬件平台进行了优化，以提高并发性能和效率。例如，ReentrantLock提供比synchronized更灵活的功能，且通常具有更好的性能表现。
   • 资源消耗：尽管标准库的同步器经过优化，但在极端的高并发场景或者非常特定的用例中，它们可能不如专门为该场景优化的自定义同步器高效。

2. 自定义同步器：

   • 性能：如果正确实现，自定义同步器可以在特定的应用场景中提供比标准同步器更优的性能。这是因为它们可以去除不必要的功能并直接针对特定场景进行优化。
   • 资源消耗：自定义实现可能会因设计不当而引入额外的复杂性和性能开销。不正确的实现可能导致效率低下，如过度使用内存或CPU资源。

使用场景分析

• 高并发访问共享资源：标准库中的ReadWriteLock可能比自定义方法更适合，因为它已经针对这种用途进行了优化。
• 特定同步逻辑（如复杂的依赖关系）：自定义同步器可能更合适，因为可以精确控制锁的获取和释放的逻辑，以适应特定需求。
• 实时系统：在需要极小的延迟和非常精确的时间控制的系统中，自定义同步器可能更优，因为可以省略不必要的检查和平衡逻辑，直接实现最简路径。

结论

在选择使用标准库的同步器还是开发自定义同步器时，需要权衡实现的复杂性、性能需求和资源消耗。对于大多数应用程序，Java标准库提供的同步器已足够强大且易于使用，应当是首选。但对于有特殊需求的高级应用，如非常高的吞吐量或特定的行为，定制同步器可能是必要的。在这种情况下，深入了解并发模式和AQS的工作原理是关键。