JUC并发编程--AQS

转自: https://www.jianshu.com/p/d8eeb31bee5c

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;
        ...
    }

 

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);
}

ConcurrentHashMap 核心扩容源码

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
    int n = tab.length, stride;
    // 将 length / 8 然后除以 CPU核心数。如果得到的结果小于 16，那么就使用 16。
    // 这里的目的是让每个 CPU 处理的桶一样多，避免出现转移任务不均匀的现象，如果桶较少的话，默认一个 CPU（一个线程）处理 16 个桶
    if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
        stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range 细分范围 stridea：TODO
    // 新的 table 尚未初始化
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            // 扩容  2 倍
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            // 更新
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            // 扩容失败， sizeCtl 使用 int 最大值。
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;// 结束
        }
        // 更新成员变量
        nextTable = nextTab;
        // 更新转移下标，就是 老的 tab 的 length
        transferIndex = n;
    }
    // 新 tab 的 length
    int nextn = nextTab.length;
    // 创建一个 fwd 节点，用于占位。当别的线程发现这个槽位中是 fwd 类型的节点，则跳过这个节点。
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    // 首次推进为 true，如果等于 true，说明需要再次推进一个下标（i--），反之，如果是 false，那么就不能推进下标，需要将当前的下标处理完毕才能继续推进
    boolean advance = true;
    // 完成状态，如果是 true，就结束此方法。
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    // 死循环,i 表示下标，bound 表示当前线程可以处理的当前桶区间最小下标
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        // 如果当前线程可以向后推进；这个循环就是控制 i 递减。同时，每个线程都会进入这里取得自己需要转移的桶的区间
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            // 对 i 减一，判断是否大于等于 bound （正常情况下，如果大于 bound 不成立，说明该线程上次领取的任务已经完成了。那么，需要在下面继续领取任务）
            // 如果对 i 减一大于等于 bound（还需要继续做任务），或者完成了，修改推进状态为 false，不能推进了。任务成功后修改推进状态为 true。
            // 通常，第一次进入循环，i-- 这个判断会无法通过，从而走下面的 nextIndex 赋值操作（获取最新的转移下标）。其余情况都是：如果可以推进，将 i 减一，然后修改成不可推进。如果 i 对应的桶处理成功了，改成可以推进。
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;// 这里设置 false，是为了防止在没有成功处理一个桶的情况下却进行了推进
            // 这里的目的是：1. 当一个线程进入时，会选取最新的转移下标。2. 当一个线程处理完自己的区间时，如果还有剩余区间的没有别的线程处理。再次获取区间。
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                // 如果小于等于0，说明没有区间了 ，i 改成 -1，推进状态变成 false，不再推进，表示，扩容结束了，当前线程可以退出了
                // 这个 -1 会在下面的 if 块里判断，从而进入完成状态判断
                i = -1;
                advance = false;// 这里设置 false，是为了防止在没有成功处理一个桶的情况下却进行了推进
            }// CAS 修改 transferIndex，即 length - 区间值，留下剩余的区间值供后面的线程使用
            else if (U.compareAndSwapInt
                     (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                      nextBound = (nextIndex > stride ?
                                   nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;// 这个值就是当前线程可以处理的最小当前区间最小下标
                i = nextIndex - 1; // 初次对i 赋值，这个就是当前线程可以处理的当前区间的最大下标
                advance = false; // 这里设置 false，是为了防止在没有成功处理一个桶的情况下却进行了推进，这样对导致漏掉某个桶。下面的 if (tabAt(tab, i) == f) 判断会出现这样的情况。
            }
        }// 如果 i 小于0 （不在 tab 下标内，按照上面的判断，领取最后一段区间的线程扩容结束）
        //  如果 i >= tab.length(不知道为什么这么判断)
        //  如果 i + tab.length >= nextTable.length  （不知道为什么这么判断）
        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
            int sc;
            if (finishing) { // 如果完成了扩容
                nextTable = null;// 删除成员变量
                table = nextTab;// 更新 table
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1); // 更新阈值
                return;// 结束方法。
            }// 如果没完成
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {// 尝试将 sc -1. 表示这个线程结束帮助扩容了，将 sc 的低 16 位减一。
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)// 如果 sc - 2 不等于标识符左移 16 位。如果他们相等了，说明没有线程在帮助他们扩容了。也就是说，扩容结束了。
                    return;// 不相等，说明没结束，当前线程结束方法。
                finishing = advance = true;// 如果相等，扩容结束了，更新 finising 变量
                i = n; // 再次循环检查一下整张表
            }
        }
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null) // 获取老 tab i 下标位置的变量，如果是 null，就使用 fwd 占位。
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);// 如果成功写入 fwd 占位，再次推进一个下标
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)// 如果不是 null 且 hash 值是 MOVED。
            advance = true; // already processed // 说明别的线程已经处理过了，再次推进一个下标
        else {// 到这里，说明这个位置有实际值了，且不是占位符。对这个节点上锁。为什么上锁，防止 putVal 的时候向链表插入数据
            synchronized (f) {
                // 判断 i 下标处的桶节点是否和 f 相同
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;// low, height 高位桶，低位桶
                    // 如果 f 的 hash 值大于 0 。TreeBin 的 hash 是 -2
                    if (fh >= 0) {
                        // 对老长度进行与运算（第一个操作数的的第n位于第二个操作数的第n位如果都是1，那么结果的第n为也为1，否则为0）
                        // 由于 Map 的长度都是 2 的次方（000001000 这类的数字），那么取于 length 只有 2 种结果，一种是 0，一种是1
                        //  如果是结果是0 ，Doug Lea 将其放在低位，反之放在高位，目的是将链表重新 hash，放到对应的位置上，让新的取于算法能够击中他。
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f; // 尾节点，且和头节点的 hash 值取于不相等
                        // 遍历这个桶
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            // 取于桶中每个节点的 hash 值
                            int b = p.hash & n;
                            // 如果节点的 hash 值和首节点的 hash 值取于结果不同
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b; // 更新 runBit，用于下面判断 lastRun 该赋值给 ln 还是 hn。
                                lastRun = p; // 这个 lastRun 保证后面的节点与自己的取于值相同，避免后面没有必要的循环
                            }
                        }
                        if (runBit == 0) {// 如果最后更新的 runBit 是 0 ，设置低位节点
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        }
                        else {
                            hn = lastRun; // 如果最后更新的 runBit 是 1， 设置高位节点
                            ln = null;
                        }// 再次循环，生成两个链表，lastRun 作为停止条件，这样就是避免无谓的循环（lastRun 后面都是相同的取于结果）
                        for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                            // 如果与运算结果是 0，那么就还在低位
                            if ((ph & n) == 0) // 如果是0 ，那么创建低位节点
                                ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                            else // 1 则创建高位
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        // 其实这里类似 hashMap
                        // 设置低位链表放在新链表的 i
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        // 设置高位链表，在原有长度上加 n
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        // 将旧的链表设置成占位符
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        // 继续向后推进
                        advance = true;
                    }// 如果是红黑树
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        // 遍历
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            // 和链表相同的判断，与运算 == 0 的放在低位
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            } // 不是 0 的放在高位
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        // 如果树的节点数小于等于 6，那么转成链表，反之，创建一个新的树
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        // 低位树
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        // 高位数
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        // 旧的设置成占位符
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        // 继续向后推进
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}