核酸检测:让我明白AQS原理

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春节越来越近了,疫情也越来越严重,但挡不住叫练携一家老小回老家(湖北)团聚的冲动。响应国家要求,我们去做核酸检测了。

独占锁

早上叫练带着一家三口来到了南京市第一医院做核酸检测,护士小姐姐站在医院门口拦着告诉我们人比较多,无论大人小孩,需要排队一个个等待医生采集唾液检测,OK,下面我们用代码+图看看我们一家三口是怎么排队的!

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-22 10:33
 * @description:独占锁测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class ExclusiveLockTest {

    private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();

    //医院
    private static class Hospital {

        private String name;

        public Hospital(String name) {
            this.name = name;
        }

        //核酸检测排队测试
        public void checkUp() {
            try {
                writeLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在做核酸检测");
                //核酸过程...难受...
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Hospital hospital = new Hospital("南京市第一医院");
        Thread JLWife = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练妻");
        JLWife.start();
        //睡眠100毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测
        Thread.sleep(100);
        Thread JLSon = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练子");
        JLSon.start();
        Thread.sleep(100);
        Thread JL = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练");
        JL.start();
    }
}

如上代码:在主线程启动三个线程去医院门口排队,女士优先,叫练妻是排在最前面的,中间站的是叫练的孩子,最后就是叫练自己了。我们假设模拟了下核酸检测一次需要3秒。代码中我们用了独占锁,独占锁可以理解成医院只有一个医生,一个医生同时只能为一个人做核酸,所以需要逐个排队检测,所以代码执行完毕一共需要花费9秒,核酸检测就可以全部做完。代码逻辑还是比较简单,和我们之前文章描述synchronized同理。核酸排队我们用图描述下吧!

AQS全称是AbstractQueueSynchroniz,意为队列同步器,本质上是一个双向链表,在AQS里面每个线程都被封装成一个Node节点,每个节点都通过尾插法添加。另外节点还有还封装状态信息,比如是独占的还是共享的,如上面的案例就表示独占Node,医生他本身是一种共享资源,在AQS内部里面叫它state,用int类型表示,线程都会通过CAS的方式争抢state。线程抢到锁了,就自增,没有抢到锁的线程会阻塞等待时机被唤醒。如下图:根据我们理解抽象出来AQS的内部结构。

**根据上面描述,大家看AQS不就是用Node封装线程,然后把线程按照先来后到(非公平锁除外)连接起来的双向链表嘛!关于非公平锁我之前写《排队打饭》案例中也通过简单例子描述过。有兴趣童鞋可以翻看下!
**
**

共享锁

上面我们做核酸的过程是同步执行的,叫独占锁。那共享锁是什么意思呢?现在叫练孩子只有3岁,不能独立完成核酸检测,护士小姐姐感同身受,观察叫练子是排在叫练妻后面的,就让他们一起同时做核酸检测。这种同时做核酸的操作,相当于同时去获取医生资源,我们称之为共享锁。下面是我们测试代码。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-21 19:54
 * @description:共享锁测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class SharedLockTest {

    private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();

    //医院
    private static class Hospital {

        private String name;

        public Hospital(String name) {
            this.name = name;
        }

        //核酸检测排队测试
        public void checkUp() {
            try {
                readLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在做核酸检测");
                //核酸过程...难受...
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                readLock.unlock();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Hospital hospital = new Hospital("南京市第一医院");
        Thread JLWife = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练妻");
        JLWife.start();
        //睡眠100毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测
        Thread.sleep(100);
        Thread JLSon = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练子");
        JLSon.start();
        /*Thread.sleep(100);
        Thread JL = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练");
        JL.start();*/
    }
    
}

上面代码我们用ReentrantReadWriteLock.ReadLock作为读锁,在主线程启动“叫练妻”和“叫练”两个线程,本来母子俩一共需要6秒才能完成的事情,现在只需要3秒就可以做完,共享锁好处是效率比较高。如下图,是AQS内部某一时刻Node节点状态。对比上图,Node的状态变为了共享状态,这些节点可以同时去共享医生资源

synchronized锁不响应中断

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-31 18:17
 * @description:sync不响应中断
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class SynchronizedInterrputedTest {

    private static class MyService {

        public synchronized void lockInterrupt() {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 获取到了锁");
                while (true) {
                   //System.out.println();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyService myService = new MyService();
        //先启动线程A,让线程A先拥有锁
        Thread threadA = new Thread(()->{
            myService.lockInterrupt();
        });
        threadA.start();
        Thread.sleep(1000);
        //启动线程B,中断,synchronized不响应中断!
        Thread threadB = new Thread(()->{
            myService.lockInterrupt();
        });
        threadB.start();
        Thread.sleep(1000);
        threadB.interrupt();
    }
}

如上述代码:先启动A线程,让线程A先拥有锁,睡眠1秒再启动线程B是让B线程处于可运行状态,隔1秒后再中断B线程。在控制台输出如下:A线程获取到了锁,等待2秒后控制台并没有立刻输出报错信息,程序一直未结束执行,说明synchronized锁不响应中断,需要B线程获取锁后才会输出线程中断报错信息!

对“微信十年产品思考”的思考

AQS响应中断

经常做比较知识才会融会贯通,在Lock提供lock和lockInterruptibly两种获取锁的方式,其中lock方法和synchronized是不响应中断的,那下面我们看看lockInterruptibly响应中断是什么意思。我们还是用核酸案例说明。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-22 15:18
 * @description:AQS响应中断代码测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class AQSInterrputedTest {

    private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();

    //医院
    private static class Hospital {

        private String name;

        public Hospital(String name) {
            this.name = name;
        }

        //核酸检测排队测试
        public void checkUp() {
            try {
                writeLock.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在做核酸检测");
                //核酸过程...难受...
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Hospital hospital = new Hospital("南京市第一医院");
        Thread JLWife = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练妻");
        JLWife.start();
        //睡眠100毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测
        Thread.sleep(100);
        Thread JLSon = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练子");
        JLSon.start();
        Thread.sleep(100);
        Thread JL = new Thread(()->hospital.checkUp(),"叫练");
        JL.start();
        //等待1秒,中断叫练线程
        System.out.println("护士小姐姐想和叫练私聊会!");
        Thread.sleep(1000);
        JL.interrupt();
    }
}

如上代码:叫练一家三口采用的是独占锁排队去做核酸,叫练线程等待一秒后,护士小姐姐想和叫练私聊会!莫非小姐姐会有啥想法,于是叫练立刻中断了这次的核酸检测,注意是立刻中断。控制台打印结果如下:叫练妻线程和叫练子线程都做了核酸,但叫练却没有做成功!因为被护士小姐姐中断了,结果如下图所示。所以我们能得出结论,在aqs中锁是可以响应中断的。现在如果将上述代码中lockInterruptibly方法换成lock方法会发生什么情况呢,如果换成这种方式,小姐姐再来撩我,叫练要先成功获取锁,也就说叫练已经到医生旁边准备做核酸了,小姐姐突然说有事找叫练,最终导致叫练没有做核酸,碰上这样的事,只能说小姐姐是存心的,小姐姐太坏了。关于lock方法不响应中断的测试大家可以自己测试下。看看我是不是冤枉护士小姐姐了。
我们可以得出结论:在aqs中如果一个线程正在获取锁或者处于等待状态,另一个线程中断了该线程,响应中断的意思是该线程立刻中断,而不响应中断的意思是该线程需要获取锁后再中断。

条件队列

人生或许有那么些不如意。漫长的一个小时排队等待终于过去了,轮到我们准备做核酸了,你说气不气,每次叫练妻出门都带身份证,可偏偏回家这次忘记了?我们用代码看看叫练一家三口在做核酸的过程中到底发生了啥事情?又是怎么处理的!

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2021-01-22 16:10
 * @description:条件队列测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class ConditionTest {

    private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();

    //条件队列
    private static Condition condition = writeLock.newCondition();

    //医院
    private static class Hospital {

        private String name;

        public Hospital(String name) {
            this.name = name;
        }

        //核酸检测排队测试
        public void checkUp(boolean isIdCard) {
            try {
                writeLock.lock();
                validateIdCard(isIdCard);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在做核酸检测");
                //核酸过程...难受...
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                writeLock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"核酸检测完成");
            }
        }

        //校验身份信息;
        private void validateIdCard(boolean isIdCard) {
            //如果没有身份信息,需要等待
            if (!isIdCard) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"忘记带身份证了");
                    condition.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        //通知所有等待的人
        public void singleAll() {
            try {
                writeLock.lock();
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        }

    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Hospital hospital = new Hospital("南京市第一医院");
        Thread.currentThread().setName("护士小姐姐线程");
        Thread JLWife = new Thread(()->{
            hospital.checkUp(false);
            },"叫练妻");
        JLWife.start();
        //睡眠100毫秒是让一家三口是有顺序的排队去检测
        Thread.sleep(100);
        Thread JLSon = new Thread(()->hospital.checkUp(true),"叫练子");
        JLSon.start();
        Thread.sleep(100);
        Thread JL = new Thread(()->{
            hospital.checkUp(true);
        },"叫练");
        JL.start();
        //等待叫练线程执行完毕
        JL.join();
        hospital.singleAll();
    }

}

如上代码:一家人获取独占锁需要排队检测,叫练妻先进去准备核酸,护士小姐姐说先要刷身份证才能进去,叫练妻突然回想起来,出门走得急身份证忘记带了,这可咋办,需要重新排队吗?叫练妻很恐慌,护士小姐姐说,要不这样吧,你先赶紧回家拿,等叫练子,叫练先检测完,我就赶紧安排你进去在做核酸,那样你就不需要重新排队了,这就是上述这段代码的表达意思。我们看看执行结果如下图,和我们分析的结果一致,下图最后画红圈的地方叫练妻最后完成核酸检测。下面我们看看AQS内部经历的过程。

如下图,当叫练妻先获取锁,发现身份证忘带调用await方法会释放持有的锁,并把自己当做node节点放入条件队列的尾部,此时条件队列为空,所以条件队列中只有叫练妻一个线程在里面,接着护士小姐姐会将核酸医生这个资源释放分配给下一个等待者,也就是叫练子线程,同理,叫练子执行完毕释放锁之后会唤醒叫练线程,底层是用LockSupport.unpark来完成唤醒的的操作,相当于基础系列里的wait/notify/notifyAll等方法。当叫练线程执行完毕,后面没有线程了,护士小姐姐调用singleAll方法会见条件队列的叫练妻线程唤醒,并加入到AQS的尾部,等待执行。其中条件队列是一个单向链表,一个AQS可以通过newCondition()对应多个条件队列。这里我们就不单独用代码做测试了。

总结

今天我们用代码+图片+故事的方式说明了AQS重要的几个概念,整理出来希望能对你有帮助,写的比不全,同时还有许多需要修正的地方,希望亲们加以指正和点评,年前这段时间会继续输出实现AQS高级锁,如:ReentrantLock,线程池这些概念等。最后喜欢的请点赞加关注哦。我是叫练【公众号】,边叫边练。

注意:本故事是自己虚构出来的,仅供大家参考理解。希望大家过年都能顺利回家团聚!

在.NET Core 中使用Quartz.NET

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2021-1-23 20:31:00

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对“微信十年产品思考”的思考

2021-1-23 21:58:00

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