J.U.C|同步队列(CLH)

Java框架

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2019-5-3

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一、写在前面

在上篇我们聊到AQS的原理,具体参见《J.U.C|AQS原理》

这篇我们来给大家聊聊AQS中核心同步队列(CLH)。

二、什么是同步队列(CLH)

同步队列

一个FIFO双向队列,队列中每个节点等待前驱节点释放共享状态(锁)被唤醒就可以了。

AQS如何使用它?

AQS依赖它来完成同步状态的管理,当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。

Node节点面貌?

static final class Node {
        // 节点分为两种模式: 共享式和独占式
        /** 共享式 */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** 独占式 */
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        /** 等待线程超时或者被中断、需要从同步队列中取消等待(也就是放弃资源的竞争),此状态不会在改变 */
        static final int CANCELLED =  1;
        /** 后继节点会处于等待状态,当前节点线程如果释放同步状态或者被取消则会通知后继节点线程,使后继节点线程的得以运行 */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** 节点在等待队列中,线程在等待在Condition 上,其他线程对Condition调用singnal()方法后,该节点加入到同步队列中。 */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * 表示下一次共享式获取同步状态的时会被无条件的传播下去。
         */
        static final int PROPAGATE = -3;

        /**等待状态*/
        volatile int waitStatus;

        /**前驱节点 */
        volatile Node prev;

        /**后继节点*/
        volatile Node next;

        /**获取同步状态的线程 */
        volatile Thread thread;

        /**链接下一个等待状态 */
        Node nextWaiter;
        
        // 下面一些方法就不贴了
    }

CLH同步队列的结构图

这里是基于CAS(保证线程的安全)来设置尾节点的。

三、入列操作

如上图了解了同步队列的结构, 我们在分析其入列操作在简单不过。无非就是将tail(使用CAS保证原子操作)指向新节点,新节点的prev指向队列中最后一节点(旧的tail节点),原队列中最后一节点的next节点指向新节点以此来建立联系,来张图帮助大家理解。

源码
源码我们可以通过AQS中的以下两个方法来了解下
addWaiter方法

private Node addWaiter(Node mode) {
// 以给定的模式来构建节点, mode有两种模式 
//  共享式SHARED, 独占式EXCLUSIVE;
  Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 尝试快速将该节点加入到队列的尾部
    Node pred = tail;
     if (pred != null) {
        node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 如果快速加入失败,则通过 anq方式入列
        enq(node);
        return node;
    }

先通过addWaiter(Node node)方法尝试快速将该节点设置尾成尾节点,设置失败走enq(final Node node)方法

enq

private Node enq(final Node node) {
// CAS自旋,直到加入队尾成功        
for (;;) {
    Node t = tail;
        if (t == null) { // 如果队列为空,则必须先初始化CLH队列,新建一个空节点标识作为Hader节点,并将tail 指向它
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
            } else {// 正常流程,加入队列尾部
                node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;
                        return t;
                }
            }
        }
    }

通过“自旋”也就是死循环的方式来保证该节点能顺利的加入到队列尾部,只有加入成功才会退出循环,否则会一直循序直到成功。

上述两个方法都是通过compareAndSetHead(new Node())方法来设置尾节点,以保证节点的添加的原子性(保证节点的添加的线程安全。)

四、出列操作

同步队列(CLH)遵循FIFO,首节点是获取同步状态的节点,首节点的线程释放同步状态后,将会唤醒它的后继节点(next),而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点,这个过程非常简单。如下图

设置首节点是通过获取同步状态成功的线程来完成的(获取同步状态是通过CAS来完成),只能有一个线程能够获取到同步状态,因此设置头节点的操作并不需要CAS来保证,只需要将首节点设置为其原首节点的后继节点并断开原首节点的next(等待GC回收)应用即可。

五、总结

聊完后我们来总一下,同步队列就是一个FIFO双向对队列,其每个节点包含获取同步状态失败的线程应用、等待状态、前驱节点、后继节点、节点的属性类型以及名称描述。

其入列操作也就是利用CAS(保证线程安全)来设置尾节点,出列就很简单了直接将head指向新头节点并断开老头节点联系就可以了。

作者:阅历笔记