面试题：Java AQS框架下，如何自定义一个高效的共享锁同步器，结合源码设计思路和优化策略说明？

Question

假设需要在Java AQS框架基础上，自定义一个共享锁同步器，要求能够高效地处理多个线程同时获取和释放共享资源的场景。请结合AQS的源码设计思路，如同步状态的管理、队列操作、线程等待与唤醒机制等，阐述设计自定义共享锁同步器的步骤和关键要点，并说明在性能优化方面可以采取哪些策略（例如减少线程上下文切换、避免不必要的锁竞争等）。

Answer 1

设计步骤

1. 继承 AbstractQueuedSynchronizer：自定义同步器需要继承 AbstractQueuedSynchronizer，以便复用 AQS 框架提供的队列管理、线程等待与唤醒等基础功能。
2. 定义同步状态：根据共享锁的特性，同步状态（state）可以表示可用的共享资源数量。例如，如果共享资源有 N 个，那么 state 的初始值可以设为 N。
3. 重写获取共享资源方法：
   • tryAcquireShared(int arg)：实现获取共享资源的逻辑。根据当前 state 判断是否有可用资源，如果有则更新 state 并返回成功，否则返回失败。例如：

protected int tryAcquireShared(int arg) {
    for (;;) {
        int state = getState();
        int next = state - arg;
        if (next < 0 || compareAndSetState(state, next)) {
            return next < 0? -1 : 1;
        }
    }
}

4. 重写释放共享资源方法：
   • tryReleaseShared(int arg)：实现释放共享资源的逻辑。更新 state 并唤醒等待队列中的线程。例如：

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    for (;;) {
        int state = getState();
        int next = state + arg;
        if (compareAndSetState(state, next)) {
            return true;
        }
    }
}

关键要点

1. 同步状态管理：确保 state 的更新操作是线程安全的，通常使用 compareAndSetState 方法来实现原子更新，避免竞争条件。
2. 队列操作：AQS 框架的等待队列（CLH 队列）用于管理等待获取锁的线程。要理解队列节点的创建、入队、出队等操作，确保线程按照正确的顺序等待和唤醒。
3. 线程等待与唤醒机制：LockSupport 类提供的 park 和 unpark 方法用于线程的等待和唤醒。在获取资源失败时，将线程包装成队列节点并放入等待队列，同时调用 park 方法使线程进入等待状态；在释放资源时，从等待队列中唤醒合适的线程。

性能优化策略

1. 减少线程上下文切换：
   • 尽量使用非阻塞的 CAS 操作：如在更新 state 时使用 compareAndSetState，避免使用独占锁导致线程阻塞和上下文切换。
   • 使用自旋：在短时间内尝试获取资源，避免直接进入阻塞状态。可以通过设置一个自旋次数，在自旋次数内不断尝试获取锁，如果获取成功则避免了线程上下文切换。
2. 避免不必要的锁竞争：
   • 优化锁粒度：如果共享资源可以细分，考虑使用多个锁分别保护不同部分的资源，减少锁竞争。
   • 公平性选择：如果对公平性要求不高，可以选择非公平锁，非公平锁在某些情况下可以减少线程的饥饿现象，提高整体性能。因为非公平锁允许新线程在队列头部线程等待时尝试获取锁，有一定概率直接获取成功，减少排队开销。