JUC解析抽象队列同步器(AQSAbstractQueuedSynchronizer)

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

抽象队列同步器(AQS-AbstractQueuedSynchronizer)

从名字上来理解:

  • 抽象:是抽象类,具体由子类实现

  • 队列:数据结构是队列,使用队列存储数据

  • 同步:基于它可以实现同步功能

我们就从这几个方面来入手解读,但首先,我们得先知道以下几个它的特点,以便于理解

AbstractQueuedSynchronizer特点

1.AQS可以实现独占锁和共享锁。

2.独占锁exclusive是一个悲观锁。保证只有一个线程经过一个阻塞点，只有一个线程可以获得锁。

3.共享锁shared是一个乐观锁。可以允许多个线程阻塞点，可以多个线程同时获取到锁。它允许一个资源可以被多个读操作，或者被一个写操作访问，但是两个操作不能同时访问。

4.AQS使用一个int类型的成员变量state来表示同步状态，当state>0时表示已经获取了锁，当state = 0无锁。它提供了三个方法（getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update)）来对同步状态state进行操作，可以确保对state的操作是安全的。

5.AQS是通过一个CLH队列实现的（CLH锁即Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks，CLH锁是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。）

抽象

我们来扒一扒源码可以看到它继承于AbstractOwnableSynchronizer它是一个抽象类.

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable

AQS内部使用了一个volatile的变量state来作为资源的标识。同时定义了几个获取和改变state的protected方法，子类可以覆盖这些方法来实现自己的逻辑.

可以看到类中为我们提供了几个protected级别的方法,它们分别是:

//创建一个队列同步器实例,初始state是0
protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
//返回同步状态的当前值。
protected final int getState() {
        return state;
}
//设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }
//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }    
//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源
protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }    
//共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

这些方法虽然都是protected方法，但是它们并没有在AQS具体实现，而是直接抛出异常,AQS实现了一系列主要的逻辑 由此可知,AQS是一个抽象的用于构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。

我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出自定义的同步器，只要子类实现它的几个protected方法就可以了.

队列

AQS类本身实现的是具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等）。它内部使用了一个先进先出（FIFO）的双端队列(CLH)，并使用了两个指针head和tail用于标识队列的头部和尾部。其数据结构如图：

队列并不是直接储存线程，而是储存拥有线程的Node节点。

我们来看看Node的结构：

static final class Node {
    // 标记一个结点（对应的线程）在共享模式下等待
    static final Node SHARED = new Node();
    // 标记一个结点（对应的线程）在独占模式下等待
    static final Node EXCLUSIVE = null; 
    // waitStatus的值，表示该结点（对应的线程）已被取消
    static final int CANCELLED = 1; 
    // waitStatus的值，表示后继结点（对应的线程）需要被唤醒
    static final int SIGNAL = -1;
    // waitStatus的值，表示该结点（对应的线程）在等待某一条件
    static final int CONDITION = -2;
    //waitStatus的值，表示有资源可用，新head结点需要继续唤醒后继结点
    //（共享模式下，多线程并发释放资源，而head唤醒其后继结点后，
    //需要把多出来的资源留给后面的结点；设置新的head结点时，会继续唤醒其后继结点）
    static final int PROPAGATE = -3;
    // 等待状态，取值范围，-3，-2，-1，0，1
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev; // 前驱结点
    volatile Node next; // 后继结点
    volatile Thread thread; // 结点对应的线程
    Node nextWaiter; // 等待队列里下一个等待条件的结点
    // 判断共享模式的方法
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    // 其它方法忽略，可以参考具体的源码
}
// AQS里面的addWaiter私有方法
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 使用了Node的这个构造函数
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 其它代码省略
}

过Node我们可以实现两个队列，一是通过prev和next实现CLH队列(线程同步队列,双向队列)，二是nextWaiter实现Condition条件上的等待线程队列(单向队列)，这个Condition主要用在ReentrantLock类中

同步

两种同步方式：

  • 独占模式（Exclusive）：资源是独占的，一次只能一个线程获取。如ReentrantLock。

  • 共享模式（Share）：同时可以被多个线程获取，具体的资源个数可以通过参数指定。如Semaphore/CountDownLatch。

同时实现两种模式的同步类，如ReadWriteLock

获取资源

获取资源的入口是acquire(int arg)方法。arg是要获取的资源的个数，在独占模式下始终为1。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

首先调用tryAcquire(arg)尝试去获取资源。前面提到了这个方法是在子类具体实现的 如果获取资源失败，就通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法把这个线程插入到等待队列中。其中传入的参数代表要插入的Node是独占式的。这个方法的具体实现：

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 生成该线程对应的Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 将Node插入队列中
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 使用CAS尝试，如果成功就返回
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果等待队列为空或者上述CAS失败，再自旋CAS插入
    enq(node);
    return node;
}
//AQS中会存在多个线程同时争夺资源的情况，
//因此肯定会出现多个线程同时插入节点的操作，
//在这里是通过CAS自旋的方式保证了操作的线程安全性。
// 自旋CAS插入等待队列
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;
            }
        }
    }
}

若设置成功就代表自己获取到了锁，返回true。状态为0设置1的动作在外部就有做过一次，内部再一次做只是提升概率，而且这样的操作相对锁来讲不占开销。 如果状态不是0，则判定当前线程是否为排它锁的Owner，如果是Owner则尝试将状态增加acquires（也就是增加1），如果这个状态值越界，则会抛出异常提示，若没有越界，将状态设置进去后返回true（实现了类似于偏向的功能，可重入，但是无需进一步征用）。 如果状态不是0，且自身不是owner，则返回false。

现在通过addWaiter方法，已经把一个Node放到等待队列尾部了。而处于等待队列的结点是从头结点一个一个去获取资源的。具体的实现我们来看看acquireQueued方法:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果node的前驱结点p是head，表示node是第二个结点，就可以尝试去获取资源了
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 拿到资源后，将head指向该结点。
                // 所以head所指的结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
                setHead(node); 
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

这里parkAndCheckInterrupt方法内部使用到了LockSupport.park(this)，顺便简单介绍一下park。 LockSupport类是Java 6 引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数，归结到Unsafe里，只有两个函数： park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞当前线程 unpark(Thread jthread)：使给定的线程停止阻塞

所以结点进入等待队列后，是调用park使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于活跃状态的。

acquire方法 获取资源的流程:

当然，获取资源的方法除了acquire外，还有以下三个：

  • acquireInterruptibly：申请可中断的资源（独占模式）

  • acquireShared：申请共享模式的资源

  • acquireSharedInterruptibly：申请可中断的资源（共享模式）

可中断的意思是，在线程中断时可能会抛出InterruptedException

释放资源

释放资源相比于获取资源来说，会简单许多。在AQS中只有一小段实现。

源码：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease方法 这个动作可以认为就是一个设置锁状态的操作，而且是将状态减掉传入的参数值（参数是1），如果结果状态为0，就将排它锁的Owner设置为null，以使得其它的线程有机会进行执行。

在排它锁中，加锁的时候状态会增加1（当然可以自己修改这个值），在解锁的时候减掉1，同一个锁，在可以重入后，可能会被叠加为2、3、4这些值，只有unlock()的次数与lock()的次数对应才会将Owner线程设置为空，而且也只有这种情况下才会返回true。 这一点大家写代码要注意，如果是在循环体中lock()或故意使用两次以上的lock(),而最终只有一次unlock()，最终可能无法释放锁。导致死锁.

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 如果状态是负数，尝试把它设置为0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 得到头结点的后继结点head.next
    Node s = node.next;
    // 如果这个后继结点为空或者状态大于0
    // 通过前面的定义我们知道，大于0只有一种可能，就是这个结点已被取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 等待队列中所有还有用的结点，都向前移动
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果后继结点不为空，
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

方法unparkSuccessor(Node)，意味着真正要释放锁了，它传入的是head节点,内部首先会发生的动作是获取head节点的next节点，如果获取到的节点不为空，则直接通过：“LockSupport.unpark()”方法来释放对应的被挂起的线程.

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