美团一面,面试官让介绍AQS原理并手写一个同步器,直接凉了

简介: 【5月更文挑战第2天】美团一面,面试官让介绍AQS原理并手写一个同步器,直接凉了

写在开头

今天在牛客上看到了一个帖子,一个网友吐槽美团一面上来就让手撕同步器,没整出来,结果面试直接凉凉。
image.png

就此联想到一周前写的一篇关于AQS知识点解析的博文,当时也曾埋下伏笔说后面会根据AQS的原理实现一个自定义的同步器,那今天就来把这个坑给填上哈。

常用的AQS架构同步器类

自定义同步器实现步骤

在上一篇文章中我们就已经提过了AQS是基于 模版方法模式 的,我们基于此的自定义同步器设计一般需要如下两步:

1. 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法;
2. 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中,并调用其模板方法,而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

在模版方法模式下,有个很重要的东西,那就是“钩子方法”,这是一种抽象类中的方法,一般使用 protected 关键字修饰,可以给与默认实现,空方法居多,其内容逻辑由子类实现,为什么不适用抽象方法呢?因为,抽象方法需要子类全部实现,增加大量代码冗余!

Ok,有了这层理论知识,我们去看看Java中根据AQS实现的同步工具类有哪些吧

Semaphore(信号量)

在前面我们讲过的synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源,而Semaphore(信号量)可以用来控制同时访问特定资源的线程数量,它并不能保证线程安全。

我们下面来看一个关于Semaphore的使用示例:

【代码示例1】

public class Test {
   
    private final Semaphore semaphore;

    /**
     * 构造方法初始化信号量
     * @param limit
     */
    public Test(int limit) {
   
        this.semaphore = new Semaphore(limit);
    }

    public void useResource() {
   
        try {
   
            semaphore.acquire();
            // 使用资源
            System.out.println("资源use:" + Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(1000); // 模拟资源使用时间
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        } finally {
   
            semaphore.release();
            System.out.println("资源release:" + Thread.currentThread().getName());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
   
        // 限制3个线程同时访问资源
        Test pool = new Test(3);

        for (int i = 0; i < 4; i++) {
   
            new Thread(pool::useResource).start();
        }
    }
}

输出:

资源use:Thread-1
资源use:Thread-0
资源use:Thread-2
资源release:Thread-0
资源release:Thread-1
资源release:Thread-2
资源use:Thread-3
资源release:Thread-3

由此结果可看出,我们成功的将同时访问共享资源的线程数限制在了不超过3个的级别,这里面涉及到了Semaphore的两个主要方法:acquire()和release()

① acquire():获取许可
跟进这个方法后,我们会发现其内部调用了AQS的一个final 方法acquireSharedInterruptibly(),这个方法中又调用了tryAcquireShared(arg)放,作为AQS中的钩子方法,这个方法的实现在Semaphore的两个静态内部类 FairSync(公平模式)NonfairSync(非公平模式) 中。
image.png


② release():释放许可
同样跟入这个方法,里面用了AQS的releaseShared(),而在这个方法内也毫无疑问的用了tryReleaseShared(int arg)这个钩子方法,原理同上,不再冗释。

【补充】
此外,在Semaphore中还有一个Sync的内部类,提供nonfairTryAcquireShared()自旋获取资源,以及tryReleaseShared(int releases),共享方式尝试释放资源。

除了Semaphore(信号量)外,基于AQS实现的还有CountDownLatch (倒计时器)、CyclicBarrier(循环栅栏),本来想在一篇文章中讲完的,但感觉篇幅上会非常长,遂放弃,后面分篇学习吧。

## 手写一个同步器!
好了,有了上面的一系列学习,我们现在来手撕一个自定义的同步器吧,原理都一样滴,开始前,先贴上AQS中的几个钩子方法,防止待会忘记,哈哈!

【钩子方法】
//独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
protected boolean tryAcquire(int)
//独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int)
//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
protected int tryAcquireShared(int)
//共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int)
//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
protected boolean isHeldExclusively()

写一个基于AQS的互斥锁,统一时刻只允许一个线程获取资源。

步骤一:

首先,我们在第一步,我们定义一个互斥锁类OnlySyncByAQS,在类中我们同样写一个静态内部类去继承AbstractQueuedSynchronizer,在内部类中,我们重写AQS的tryAcquire方法,独占方式,尝试获取资源;重写tryRelease()尝试释放资源,这俩为主要方法!

然后我们再进一步封装成lock()与unlock()的上锁与解锁方法,并在里面通过模版方法模式,去调用AQS中的acquire()和release(),从而去调到我们对模版方法的实现。

【代码示例2】

public class OnlySyncByAQS {
   

    private final Sync sync = new Sync();

    /**
     * 获取许可,给资源上锁
     */
    public void lock() {
   
        sync.acquire(1);
    }

    /**
     * 释放许可,解锁
     */
    public void unlock() {
   
        sync.release(1);
    }

    /**
     * 判断是否独占
     * @return
     */
    public boolean isLocked() {
   
        return sync.isHeldExclusively();
    }

    /**
     * 静态内部类,继承AQS,重写钩子方法
     */
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   

        /**
         * 重写AQS的tryAcquire方法,独占方式,尝试获取资源。
         */
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
   
            //CAS 尝试更改状态
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
   
                //独占模式下,设置锁的持有者为当前线程,来自于AOS
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁成功");
                return true;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁失败");
            return false;
        }

        /**
         * 独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
         * @param arg
         * @return
         */
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
   
            if (getState() == 0) {
   
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            //置空锁的持有者
            setExclusiveOwnerThread(null);
            //改状态为0,未锁定状态
            setState(0);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放锁成功!");
            return true;
        }

        /**
         * 判断该线程是否正在独占资源,返回state=1
         * @return
         */
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
   
            return getState() == 1;
        }
    }

}
步骤二:

第二步,我们写一个测试类去调用这个自定义的互斥锁。

【代码示例2】

public class Test {
   

    private OnlySyncByAQS onlySyncByAQS = new OnlySyncByAQS();

    public void use(){
   
        onlySyncByAQS.lock();
        try {
   
            //休眠1秒获取使用共享资源
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        } finally {
   
            onlySyncByAQS.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
        Test test = new Test();
        //多线程竞争资源,每次仅一个线程拿到锁
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
   
            new Thread(()->{
   
                test.use();
            }).start();
        }
    }
}

输出:

Thread-0获取锁成功
Thread-1获取锁失败
Thread-2获取锁失败
Thread-1获取锁失败
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放锁成功!
Thread-1获取锁成功
Thread-1释放锁成功!
Thread-2获取锁成功
Thread-2释放锁成功!

由输出结果可以看出作为互斥锁,每次仅一个线程可以获取到锁资源,其他线程会不断尝试获取并失败,直至该线程释放锁资源!

结尾彩蛋

如果本篇博客对您有一定的帮助,大家记得留言+点赞+收藏呀。原创不易,转载请联系Build哥!

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