Java学习第五天：AQS + ReentrantLock + JUC 并发工具 + 阻塞队列

Java小趴菜
5 阅读5分钟

一、AQS 抽象队列同步器（超级详细知识点）

1. AQS 是什么

  • AQS 是 JUC 里所有锁和同步工具的底层基础框架。
  • ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier 全部基于 AQS 实现。
  • 采用 模板方法模式：流程固定，子类只实现抢锁 / 释放逻辑。

2. AQS 核心三大组成

  1. state 变量（volatile int）

    • 0 = 无锁

    • 0 = 已加锁（数值代表重入次数）

    • volatile 保证多线程之间可见性

  2. CLH 变体双向队列

    • 存放抢锁失败、进入等待的线程
    • 每个节点包含：线程、等待状态、前驱 / 后继指针
    • 先进先出（FIFO），保证公平性

  3. 独占 / 共享两种模式

    • 独占模式：同一时间只有一个线程能持有锁（ReentrantLock）
    • 共享模式：多个线程可同时持有（CountDownLatch、Semaphore）

3. AQS 节点 5 种等待状态

  • CANCELLED（1） ：线程取消 / 超时 / 中断，不再参与竞争
  • SIGNAL（-1） ：当前节点释放锁后，需要唤醒后继节点
  • CONDITION（-2） ：线程在 Condition 队列中等待
  • PROPAGATE（-3） ：共享模式下，唤醒需要传播给后面节点
  • 0：初始状态

4. 独占模式获取锁流程（完整逻辑）

  1. 线程调用 tryAcquire 尝试抢锁

  2. 抢锁成功：设置当前线程为锁持有者，直接执行业务

  3. 抢锁失败：

    • 封装成 Node 节点，加入队列尾部
    • 检查前驱节点状态，确保前驱是 SIGNAL
    • 调用 LockSupport.park () 阻塞当前线程

  4. 被唤醒后：

    • 再次尝试抢锁
    • 成功则成为新头节点，失败继续阻塞

5. 独占模式释放锁流程

  1. 调用 tryRelease 尝试释放锁
  2. state 减到 0 才算真正释放
  3. 唤醒队列中头节点的后继节点
  4. 被唤醒线程重新竞争锁

6. 共享模式与独占模式的区别

  • 独占：只有一个线程能成功
  • 共享：可以同时有多个线程成功
  • 共享模式释放后会连续唤醒后面的节点（传播唤醒）

二、ReentrantLock 详细知识点

1. ReentrantLock 是什么

  • JDK 层面实现的 可重入独占锁
  • 完全依靠 AQS 实现，比 synchronized 更灵活

2. 可重入性原理

  • 同一个线程多次加锁，不会阻塞自己
  • 每次加锁 state+1，解锁 state-1
  • 只有 state 回到 0，锁才真正释放

3. 公平锁 vs 非公平锁（超级重点）

非公平锁（默认）

  • 线程上来直接 CAS 抢锁，抢不到再排队
  • 优点：吞吐量极高
  • 缺点：可能产生线程饥饿

公平锁

  • 先检查队列中是否有线程在等待
  • 有等待 → 直接进队，绝不插队
  • 优点：绝对公平，无饥饿
  • 缺点：吞吐量低

核心区别：是否执行 hasQueuedPredecessors () 判断队列

4. ReentrantLock 常用方法的意义

  • **lock()**阻塞获取锁，不响应中断，拿不到锁就一直等。
  • **lockInterruptibly()**可中断获取锁，阻塞过程中能被中断，适合需要取消任务的场景。
  • **tryLock()**尝试一次，立即返回 true/false，不阻塞。
  • **tryLock(timeout)**在一定时间内尝试抢锁，超时返回 false。
  • **unlock()**释放锁，必须放在 finally 里，否则极易死锁。

5. ReentrantLock 与 synchronized 对比

  • synchronized：JVM 实现、自动加解锁、异常自动释放、功能简单
  • ReentrantLock：JDK 实现、手动控制、支持中断 / 超时 / 公平锁 / 多 Condition

三、JUC 三大并发工具类（超详细知识点）

1. CountDownLatch 倒计时门闩

作用

让一个或多个线程 等待其他一批线程执行完 再继续。

原理

  • 初始化一个计数值
  • countDown ()：计数 -1
  • await ()：阻塞直到计数 = 0

特点

  • 不可重用，计数到 0 就失效
  • 基于 AQS 共享模式

典型场景

  • 主线程等待多个子线程初始化完成
  • 分布式接口多任务并行聚合结果

2. CyclicBarrier 循环屏障

作用

一组线程互相等待，全部到齐后再一起执行。

原理

  • 设定一组线程数量
  • 每调用一次 await ()，计数 -1
  • 计数 = 0 时，唤醒所有等待线程，并自动重置计数

特点

  • 可循环使用
  • 基于 ReentrantLock + Condition 实现
  • 支持屏障任务：所有线程到齐后优先执行一个任务

典型场景

  • 多线程分批计算
  • 游戏多玩家同时进入战斗

3. Semaphore 信号量

作用

控制同时执行的线程数量，用于限流、池化资源保护。

原理

  • 初始化许可数量
  • acquire ()：获取一个许可，没有则阻塞
  • release ()：释放一个许可

特点

  • 基于 AQS 共享模式
  • 支持公平 / 非公平模式

典型场景

  • 接口限流
  • 数据库连接池控制
  • 池化资源并发控制

四、阻塞队列 BlockingQueue（详细知识点）

1. 作用

  • 实现 生产者 - 消费者模型
  • 自动处理：队列满 → 阻塞写；队列空 → 阻塞读
  • 内部自带锁与等待唤醒，无需手动写 wait/notify

2. 四类核心方法（必须背）

  • 抛异常：add、remove、element
  • 返回布尔 /null：offer、poll、peek
  • 阻塞：put、take
  • 超时：offer (timeout)、poll (timeout)

3. 四大常用实现类

ArrayBlockingQueue

  • 数组实现，有界队列
  • 必须指定容量
  • 全局一把锁，读写共用同一把锁

LinkedBlockingQueue

  • 链表实现
  • 默认无界，可指定为有界
  • 读写分离锁，并发性能更高

SynchronousQueue

  • 不存储任何元素
  • 每一个 put 必须等待一个 take
  • 高并发直接传递任务，吞吐量极高
  • Executors.newCachedThreadPool 底层使用

PriorityBlockingQueue

  • 支持优先级排序
  • 无界队列
  • 按照元素自然排序或自定义比较器

4. 阻塞队列核心意义

  • 解耦生产者与消费者
  • 平衡生产速度与消费速度
  • 自动流量削峰
  • 线程池的核心依赖组件

五、本章面试高频深度题

  1. AQS 的 state、CLH 队列、节点状态分别有什么用？
  2. AQS 独占与共享模式的区别？
  3. ReentrantLock 可重入原理是什么？
  4. 公平锁与非公平锁的区别、优缺点、底层差异？
  5. ThreadLocal 为什么 key 用弱引用？不调用 remove 为什么泄漏？
  6. CountDownLatch 与 CyclicBarrier 区别？
  7. Semaphore 实现限流的原理？
  8. 阻塞队列四类方法区别？常用队列有哪些？
avatar
文章
阅读
粉丝