JUC 核心组件全景：Lock、Atomic、AQS！

开篇语

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。运营社区：C站/掘金/腾讯云/阿里云/华为云/51CTO；欢迎大家常来逛逛

  今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

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前言

JUC（Java Util Concurrent）是 Java 并发编程中的重要组成部分，提供了一系列核心组件，帮助开发者高效地进行多线程和并发控制。JUC 中有三个非常重要的核心组件：Lock、Atomic 和 AQS，它们在并发控制、资源共享、任务同步等方面起着关键作用。

在深入了解这三个组件之前，我们需要先对 Java 并发编程的基本概念有一个清晰的认识。Java 并发编程面临的挑战主要包括线程同步、资源共享的安全性、以及性能的优化。JUC 提供的这些核心组件，正是为了解决这些问题，提供了更加灵活且高效的解决方案。

一、Lock（锁）

Lock 是 Java 并发编程中的基础工具之一，旨在替代传统的 synchronized 关键字，它提供了更细粒度的控制和更好的性能。Lock 接口定义了与锁相关的基本操作，如加锁、解锁等。

1.1 Lock 的核心特点

• 可重入：ReentrantLock 是一种常见的 Lock 实现，它允许线程多次获得同一个锁。
• 可中断的加锁：可以在等待锁时响应中断，这在某些需要超时控制或希望响应中断的场景中非常有用。
• 公平性控制：ReentrantLock 提供了公平锁（Fair Lock）的实现。公平锁保证了锁的获取顺序是按照线程请求锁的顺序来分配的，从而避免了某些线程“饥饿”的问题。
• 锁的细粒度控制：通过 lock() 和 unlock() 方法，Lock 可以更精细地控制加锁与释放锁的时机，避免死锁等问题。

1.2 常见实现类

• ReentrantLock：实现了 Lock 接口，提供了可重入、可中断、可公平的锁。
• ReadWriteLock：为读写锁提供支持，允许多个线程同时读取共享资源，但在写操作时，独占资源。

1.3 典型示例

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void doSomething() {
        lock.lock();  // 加锁
        try {
            // 执行代码
            System.out.println("Executing task with lock");
        } finally {
            lock.unlock();  // 解锁
        }
    }
}

二、Atomic（原子操作）

Atomic 是 JUC 中的一组类，提供了对共享变量的原子操作，确保了多线程环境下的操作是线程安全的。原子操作意味着在多线程的环境中，某个操作要么完全执行，要么完全不执行，中间不会被其他线程打断。

2.1 Atomic 类的核心特点

• 原子性保证：Atomic 类通过底层硬件的支持（例如 CAS，Compare And Swap）来保证操作的原子性，避免了使用 synchronized 的开销。
• 无锁操作：Atomic 类通常采用无锁的算法，能显著提高性能，尤其是在高并发环境下。
• 支持常见的数据类型：Java 提供了多种原子类，如 AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference 等，适用于不同的数据类型。

2.2 典型类与方法

• AtomicInteger：提供了对整数类型的原子操作。
• AtomicLong：提供了对长整型的原子操作。
• AtomicReference：提供了对对象引用的原子操作。
• CAS（Compare And Swap）：通过 CAS 算法实现无锁的原子更新操作。

2.3 典型示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        counter.incrementAndGet();  // 原子性加1
    }

    public int getCounter() {
        return counter.get();  // 获取原子变量的值
    }
}

三、AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

AQS 是 Java 并发工具中的一个重要抽象类，它为许多并发控制工具（如 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore）提供了底层支持。AQS 通过队列的方式来管理线程对资源的争用，线程请求资源时会被挂起，直到资源可用时才被唤醒。

3.1 AQS 的核心特点

• 状态管理：AQS 通过维护一个共享的状态（如一个整数值），来表示资源的占用情况。
• 队列管理：AQS 使用一个 FIFO（先进先出）队列来管理所有等待资源的线程。
• 支持公平与非公平：AQS 可以通过公平队列机制来保证资源分配的顺序，或者采用非公平的方式提高吞吐量。

3.2 典型子类与应用

• ReentrantLock：继承了 AQS，利用它来管理线程对锁的竞争。
• CountDownLatch：通过 AQS 实现，允许线程等待其他线程完成操作。
• Semaphore：通过 AQS 实现的信号量，控制多个线程对资源的访问。
• CyclicBarrier：允许一组线程在执行到某个步骤时相互等待，直到所有线程都达到某个条件。

3.3 典型示例

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class AQSExample extends AbstractQueuedSynchronizer {
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 自定义获取锁的方式
        return compareAndSetState(0, acquires);  // 比较并设置状态
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int releases) {
        // 自定义释放锁的方式
        setState(0);  // 释放锁，设置状态为0
        return true;
    }

    public static void main(String[] args) {
        AQSExample sync = new AQSExample();
        // 使用 AQS 实现同步控制
    }
}

四、如何选择合适的组件？

1. Lock：当需要对资源进行精细化控制，特别是需要避免死锁、支持可中断和公平性时，Lock 适用。它比 synchronized 提供了更多的功能和灵活性。
2. Atomic：当对简单的共享变量进行操作时，Atomic 类提供了一种高效且无锁的解决方案，适用于计数器、标志位等场景。
3. AQS：当需要实现复杂的同步控制机制时（例如自定义锁、信号量、计数器等），可以基于 AQS 来实现更高层次的并发控制。

结语

在 Java 并发编程中，Lock、Atomic 和 AQS 是三大核心组件，各自有不同的应用场景和优势。通过理解它们的工作原理和使用场景，开发者可以根据需求选择合适的组件，从而有效提高程序的并发性能。掌握这些工具，不仅可以让你编写出高效、可靠的并发程序，还能让你在多线程编程的世界里游刃有余！💡

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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