深入浅出java同步器AQS

Java基础

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2019-1-24

简书 占小狼
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前言

在java.util.concurrent.locks包中有很多Lock的实现类,常用的有ReentrantLock、ReadWriteLock(实现类ReentrantReadWriteLock),内部实现都依赖AbstractQueuedSynchronizer类,接下去让我们看看Doug Lea大神是如何使用一个普通类就完成了代码块的并发访问控制。为了方便,本文中使用AQS代替AbstractQueuedSynchronizer。

定义

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends
    AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { 
    //等待队列的头节点
    private transient volatile Node head;
    //等待队列的尾节点
    private transient volatile Node tail;
    //同步状态
    private volatile int state;
    protected final int getState() { return state;}
    protected final void setState(int newState) { state = newState;}
    ...
}

队列同步器AQS是用来构建锁或其他同步组件的基础框架,内部使用一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,其中内部状态state,等待队列的头节点head和尾节点head,都是通过volatile修饰,保证了多线程之间的可见。

在深入实现原理之前,我们先看看内部的FIFO队列是如何实现的。

static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;
        volatile int waitStatus;
        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        volatile Thread thread;
        Node nextWaiter;
        ...
    }

先来一张形象的图(该图其实是网上找的)

黄色节点是默认head节点,其实是一个空节点,我觉得可以理解成代表当前持有锁的线程,每当有线程竞争失败,都是插入到队列的尾节点,tail节点始终指向队列中的最后一个元素。

每个节点中, 除了存储了当前线程,前后节点的引用以外,还有一个waitStatus变量,用于描述节点当前的状态。多线程并发执行时,队列中会有多个节点存在,这个waitStatus其实代表对应线程的状态:有的线程可能获取锁因为某些原因放弃竞争;有的线程在等待满足条件,满足之后才能执行等等。一共有4中状态:

  1. CANCELLED 取消状态
  2. SIGNAL 等待触发状态
  3. CONDITION 等待条件状态
  4. PROPAGATE 状态需要向后传播

等待队列是FIFO先进先出,只有前一个节点的状态为SIGNAL时,当前节点的线程才能被挂起。

实现原理

子类重写tryAcquire和tryRelease方法通过CAS指令修改状态变量state。

public final void acquire(int arg) {   
 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))    
    selfInterrupt();
}
线程获取锁过程

下列步骤中线程A和B进行竞争。

  1. 线程A执行CAS执行成功,state值被修改并返回true,线程A继续执行。
  2. 线程A执行CAS指令失败,说明线程B也在执行CAS指令且成功,这种情况下线程A会执行步骤3。
  3. 生成新Node节点node,并通过CAS指令插入到等待队列的队尾(同一时刻可能会有多个Node节点插入到等待队列中),如果tail节点为空,则将head节点指向一个空节点(代表线程B),具体实现如下:
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}
  1. node插入到队尾后,该线程不会立马挂起,会进行自旋操作。因为在node的插入过程,线程B(即之前没有阻塞的线程)可能已经执行完成,所以要判断该node的前一个节点pred是否为head节点(代表线程B),如果pred == head,表明当前节点是队列中第一个“有效的”节点,因此再次尝试tryAcquire获取锁,
    1、如果成功获取到锁,表明线程B已经执行完成,线程A不需要挂起。
    2、如果获取失败,表示线程B还未完成,至少还未修改state值。进行步骤5。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
  1. 前面我们已经说过只有前一个节点pred的线程状态为SIGNAL时,当前节点的线程才能被挂起。
    1、如果pred的waitStatus == 0,则通过CAS指令修改waitStatus为Node.SIGNAL。
    2、如果pred的waitStatus > 0,表明pred的线程状态CANCELLED,需从队列中删除。
    3、如果pred的waitStatus为Node.SIGNAL,则通过LockSupport.park()方法把线程A挂起,并等待被唤醒,被唤醒后进入步骤6。
    具体实现如下:
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        /*
         * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
         * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
         * retry to make sure it cannot acquire before parking.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}
  1. 线程每次被唤醒时,都要进行中断检测,如果发现当前线程被中断,那么抛出InterruptedException并退出循环。从无限循环的代码可以看出,并不是被唤醒的线程一定能获得锁,必须调用tryAccquire重新竞争,因为锁是非公平的,有可能被新加入的线程获得,从而导致刚被唤醒的线程再次被阻塞,这个细节充分体现了“非公平”的精髓。

线程释放锁过程:
  1. 如果头结点head的waitStatus值为-1,则用CAS指令重置为0;
  2. 找到waitStatus值小于0的节点s,通过LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程。
private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
     * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
     * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
     * fails or if status is changed by waiting thread.
     */
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    /*
     * Thread to unpark is held in successor, which is normally
     * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
     * traverse backwards from tail to find the actual
     * non-cancelled successor.
     */
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

总结

Doug Lea大神的思路跳跃的太快,把CAS指令玩的出神入化,以至于有些逻辑反反复复debug很多次才明白。

END。
我是占小狼。
在魔都艰苦奋斗,白天是上班族,晚上是知识服务工作者。
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