《提升能力,涨薪可待》-Java并发之AQS全面详解
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一、AQS是什么?有什么用?
AQS全称AbstractQueuedSynchronizer
,即抽象的队列同步器,是一种用来构建锁和同步器的框架。
基于AQS构建同步器:
ReentrantLock
Semaphore
CountDownLatch
ReentrantReadWriteLock
SynchronusQueue
FutureTask
优势:
AQS 解决了在实现同步器时涉及的大量细节问题,例如自定义标准同步状态、FIFO 同步队列。
基于 AQS 来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作,而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。
二、AQS核心知识
2.1 AQS核心思想
如果被请求的共享资源空闲,则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用,那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制,这个机制AQS是用CLH队列锁实现的,即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。如图所示:
Sync queue: 同步队列,是一个双向列表。包括head节点和tail节点。head节点主要用作后续的调度。
Condition queue: 非必须,单向列表。当程序中存在cindition的时候才会存在此列表。
2.2 AQS设计思想
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态
使用Node实现FIFO队列,可以用于构建锁或者其他同步装置
AQS资源共享方式:独占Exclusive(排它锁模式)和共享Share(共享锁模式)
AQS它的所有子类中,要么实现并使用了它的独占功能的api,要么使用了共享锁的功能,而不会同时使用两套api,即便是最有名的子类ReentrantReadWriteLock也是通过两个内部类读锁和写锁分别实现了两套api来实现的
2.3 state状态
state状态使用volatile int类型的变量,表示当前同步状态。state的访问方式有三种:
getState()
setState()
compareAndSetState()
2.4 AQS中Node常量含义
CANCELLED waitStatus值为1时表示该线程节点已释放(超时、中断),已取消的节点不会再阻塞。
SIGNAL waitStatus为-1时表示该线程的后续线程需要阻塞,即只要前置节点释放锁,就会通知标识为 SIGNAL 状态的后续节点的线程
CONDITION waitStatus为-2时,表示该线程在condition队列中阻塞(Condition有使用)
PROPAGATE waitStatus为-3时,表示该线程以及后续线程进行无条件传播(CountDownLatch中有使用)共享模式下, PROPAGATE 状态的线程处于可运行状态
2.5 同步队列为什么称为FIFO呢?
因为只有前驱节点是head节点的节点才能被首先唤醒去进行同步状态的获取。当该节点获取到同步状态时,它会清除自己的值,将自己作为head节点,以便唤醒下一个节点。
2.6 Condition队列
除了同步队列之外,AQS中还存在Condition队列,这是一个单向队列。调用ConditionObject.await()方法,能够将当前线程封装成Node加入到Condition队列的末尾,然后将获取的同步状态释放(即修改同步状态的值,唤醒在同步队列中的线程)。
Condition队列也是FIFO。调用ConditionObject.signal()方法,能够唤醒firstWaiter节点,将其添加到同步队列末尾。
2.7 自定义同步器的实现
在构建自定义同步器时,只需要依赖AQS底层再实现共享资源state的获取与释放操作即可。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:
isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryAcquireShared(int):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。
tryReleaseShared(int):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。
三 AQS实现细节
线程首先尝试获取锁,如果失败就将当前线程及等待状态等信息包装成一个node节点加入到FIFO队列中。 接着会不断的循环尝试获取锁,条件是当前节点为head的直接后继才会尝试。如果失败就会阻塞自己直到自己被唤醒。而当持有锁的线程释放锁的时候,会唤醒队列中的后继线程。
3.1 独占模式下的AQS
所谓独占模式,即只允许一个线程获取同步状态,当这个线程还没有释放同步状态时,其他线程是获取不了的,只能加入到同步队列,进行等待。
很明显,我们可以将state的初始值设为0,表示空闲。当一个线程获取到同步状态时,利用CAS操作让state加1,表示非空闲,那么其他线程就只能等待了。释放同步状态时,不需要CAS操作,因为独占模式下只有一个线程能获取到同步状态。ReentrantLock、CyclicBarrier正是基于此设计的。
例如,ReentrantLock,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。
独占模式下的AQS是不响应中断的,指的是加入到同步队列中的线程,如果因为中断而被唤醒的话,不会立即返回,并且抛出InterruptedException。而是再次去判断其前驱节点是否为head节点,决定是否争抢同步状态。如果其前驱节点不是head节点或者争抢同步状态失败,那么再次挂起。
3.1.1 独占模式获取资源-acquire方法
acquire以独占exclusive方式获取资源。如果获取到资源,线程直接返回,否则进入等待队列,直到获取到资源为止,且整个过程忽略中断的影响。源码如下:
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
流程图:
调用自定义同步器的
tryAcquire()
尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;没成功,则
addWaiter()
将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;acquireQueued()
使线程在等待队列中休息,有机会时(轮到自己,会被unpark()
)会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断
selfInterrupt()
,将中断补上。
3.1.2 独占模式获取资源-tryAcquire方法
tryAcquire
尝试以独占的方式获取资源,如果获取成功,则直接返回true
,否则直接返回false
,且具体实现由自定义AQS的同步器实现的。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
3.1.3 独占模式获取资源-addWaiter方法
根据不同模式(Node.EXCLUSIVE
互斥模式、Node.SHARED
共享模式)创建结点并以CAS的方式将当前线程节点加入到不为空的等待队列的末尾(通过compareAndSetTail()
方法)。如果队列为空,通过enq(node)
方法初始化一个等待队列,并返回当前节点。
/**
* 参数
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* 返回值
* @return the new node
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
//将当前线程以指定的模式创建节点node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 获取当前同队列的尾节点
Node pred = tail;
//队列不为空,将新的node加入等待队列中
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS方式将当前节点尾插入队列中
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//当队列为empty或者CAS失败时会调用enq方法处理
enq(node);
return node;
}
其中,队列为empty,使用enq(node)
处理,将当前节点插入等待队列,如果队列为空,则初始化当前队列。所有操作都是CAS自旋的方式进行,直到成功加入队尾为止。
private Node enq(final Node node) {
//不断自旋
for (;;) {
Node t = tail;
//当前队列为empty
if (t == null) { // Must initialize
//完成队列初始化操作,头结点中不放数据,只是作为起始标记,lazy-load,在第一次用的时候new
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
//不断将当前节点使用CAS尾插入队列中直到成功为止
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
3.1.4 独占模式获取资源-acquireQueued方法
acquireQueued
用于已在队列中的线程以独占且不间断模式获取state状态,直到获取锁后返回。主要流程:
结点node进入队列尾部后,检查状态;
调用park()进入waiting状态,等待unpark()或interrupt()唤醒;
被唤醒后,是否获取到锁。如果获取到,head指向当前结点,并返回从入队到获取锁的整个过程中是否被中断过;如果没获取到,继续流程1
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//是否已获取锁的标志,默认为true 即为尚未
boolean failed = true;
try {
//等待中是否被中断过的标记
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//获取前节点
final Node p = node.predecessor();
//如果当前节点已经成为头结点,尝试获取锁(tryAcquire)成功,然后返回
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//shouldParkAfterFailedAcquire根据对当前节点的前一个节点的状态进行判断,对当前节点做出不同的操作
//parkAndCheckInterrupt让线程进入等待状态,并检查当前线程是否被可以被中断
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
//将当前节点设置为取消状态;取消状态设置为1
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
3.1.5 独占模式释放资源-release方法
release方法是独占exclusive模式下线程释放共享资源的锁。它会调用tryRelease()释放同步资源,如果全部释放了同步状态为空闲(即state=0),当同步状态为空闲时,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义,当然不仅仅只限于unlock().
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
3.1.6 独占模式释放资源-tryRelease方法
tryRelease()
跟tryAcquire()
一样实现都是由自定义定时器以独占exclusive模式实现的。因为其是独占模式,不需要考虑线程安全的问题去释放共享资源,直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)。而且tryRelease()
的返回值代表着该线程是否已经完成资源的释放,因此在自定义同步器的tryRelease()
时,需要明确这条件,当已经彻底释放资源(state=0),要返回true,否则返回false。
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
ReentrantReadWriteLock的实现:
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//减掉相应量的资源(state-=arg)
int nextc = getState() - releases;
//是否完全释放资源
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}
3.1.7 独占模式释放资源-unparkSuccessor
unparkSuccessor
用unpark()唤醒等待队列中最前驱的那个未放弃线程,此线程并不一定是当前节点的next节点,而是下一个可以用来唤醒的线程,如果这个节点存在,调用unpark()方法唤醒。
private void unparkSuccessor(Node node) {
//当前线程所在的结点node
int ws = node.waitStatus;
//置零当前线程所在的结点状态,允许失败
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//找到下一个需要唤醒的结点
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从后向前找
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
//从这里可以看出,<=0的结点,都是还有效的结点
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
//唤醒
LockSupport.unpark(s.thread);
}
3.2 共享模式下的AQS
共享模式,当然是允许多个线程同时获取到同步状态,共享模式下的AQS也是不响应中断的.
很明显,我们可以将state的初始值设为N(N > 0),表示空闲。每当一个线程获取到同步状态时,就利用CAS操作让state减1,直到减到0表示非空闲,其他线程就只能加入到同步队列,进行等待。释放同步状态时,需要CAS操作,因为共享模式下,有多个线程能获取到同步状态。CountDownLatch、Semaphore正是基于此设计的。
例如,CountDownLatch,任务分为N个子线程去执行,同步状态state也初始化为N(注意N要与线程个数一致):
3.2.1 共享模式获取资源-acquireShared方法
acquireShared
在共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源,获取成功则直接返回,获取失败则进入等待队列,直到获取到资源为止,整个过程忽略中断。
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
流程:
先通过tryAcquireShared()尝试获取资源,成功则直接返回;
失败则通过doAcquireShared()中的park()进入等待队列,直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回(整个等待过程也是忽略中断响应)。
3.2.2 共享模式获取资源-tryAcquireShared方法
tryAcquireShared()
跟独占模式获取资源方法一样实现都是由自定义同步器去实现。但AQS规范中已定义好tryAcquireShared()
的返回值:
负值代表获取失败;
0代表获取成功,但没有剩余资源;
正数表示获取成功,还有剩余资源,其他线程还可以去获取。
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
3.2.3 共享模式获取资源-doAcquireShared方法
doAcquireShared()
用于将当前线程加入等待队列尾部休息,直到其他线程释放资源唤醒自己,自己成功拿到相应量的资源后才返回。
private void doAcquireShared(int arg) {
//加入队列尾部
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
//是否成功标志
boolean failed = true;
try {
//等待过程中是否被中断过的标志
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//获取前驱节点
if (p == head) {//如果到head的下一个,因为head是拿到资源的线程,此时node被唤醒,很可能是head用完资源来唤醒自己的
int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
if (r >= 0) {//成功
setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己,还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
p.next = null; // help GC
if (interrupted)//如果等待过程中被打断过,此时将中断补上。
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
} //判断状态,队列寻找一个适合位置,进入waiting状态,等着被unpark()或interrupt()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
3.2.4 共享模式释放资源-releaseShared方法
releaseShared()
用于共享模式下线程释放共享资源,释放指定量的资源,如果成功释放且允许唤醒等待线程,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
public final boolean releaseShared(int arg) {
//尝试释放资源
if (tryReleaseShared(arg)) {
//唤醒后继结点
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源(state=0)后,才会返回true去唤醒其他线程,这主要是基于独占下可重入的考量;而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求,共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行,那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。
https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html
3.2.共享模式释放资源-doReleaseShared方法
doReleaseShared()
主要用于唤醒后继节点线程,当state为正数,去获取剩余共享资源;当state=0时去获取共享资源。
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
//唤醒后继
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
// head发生变化
if (h == head)
break;
}
}
各位看官还可以吗?喜欢的话,动动手指点个赞
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