Java AQS 与条件变量的使用

在Java中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是一个用于构建锁和同步器的框架。它是Java并发包的一部分，提供了一种强大的方式来管理多个线程之间的访问权限。

AQS的主要思想是通过一个共享的状态变量来控制线程的访问。它通过维护一个FIFO（先进先出）线程队列来管理等待访问共享资源的线程，并提供了一组基于“独占锁”和“共享锁”的操作来控制线程之间的协作。

条件变量是AQS的一个重要特性，用于在满足特定条件之前，线程之间进行等待和通信。条件变量提供了一种线程间通信的方式，让线程能够等待某个条件的发生，并在条件满足后继续执行。

使用条件变量的典型场景是生产者-消费者问题。在这个问题中，有一个共享的有界缓冲区，生产者向缓冲区写入数据，而消费者从缓冲区读取数据。当缓冲区已满时，生产者必须等待直到有空间可用；当缓冲区为空时，消费者必须等待直到有数据可用。

下面是一个使用AQS和条件变量实现生产者-消费者问题的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ProducerConsumerExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private final Object[] buffer = new Object[10];
    private int count, putIndex, takeIndex;
    
    public void put(Object item) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == buffer.length) {
                notFull.await();
            }
            buffer[putIndex] = item;
            if (++putIndex == buffer.length) {
                putIndex = 0;
            }
            count++;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public Object take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            Object item = buffer[takeIndex];
            buffer[takeIndex] = null;
            if (++takeIndex == buffer.length) {
                takeIndex = 0;
            }
            count--;
            notFull.signal();
            return item;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上述代码中，我们使用了一个ReentrantLock作为互斥锁，并通过newCondition()方法创建了两个条件变量。notFull表示缓冲区不满的条件，notEmpty表示缓冲区不为空的条件。

在put()方法中，如果缓冲区已满，生产者线程会调用notFull.await()暂时释放锁并等待。当有空间可用时，生产者线程被唤醒并继续执行。在这之后，生产者向缓冲区写入数据，并通过notEmpty.signal()通知消费者线程可以取数据了。

在take()方法中，如果缓冲区为空，消费者线程会调用notEmpty.await()暂时释放锁并等待。当有数据可用时，消费者线程被唤醒并继续执行。在这之后，消费者从缓冲区读取数据，并通过notFull.signal()通知生产者线程可以继续写入数据。

通过AQS和条件变量，我们成功实现了一个简单的生产者-消费者模型。它不仅能够保证生产者和消费者之间的同步与互斥，还能够优雅地处理线程的等待和唤醒操作。

总结而言，Java AQS及其条件变量是一种强大的工具，用于实现复杂的多线程协作逻辑。了解和使用AQS能够帮助开发者编写出更可靠、高效的并发程序。

参考链接：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/locks/AbstractQueuedSynchronizer.html

Java AQS 与条件变量的使用

江明涛