AQS 自定义同步锁,挺难的!
AQS
是AbstractQueuedSynchronizer
的简称。
AbstractQueuedSynchronizer 同步状态
AbstractQueuedSynchronizer
内部有一个state
属性,用于指示同步的状态:
private volatile int state;
state
的字段是个int
型的,它的值在AbstractQueuedSynchronizer
中是没有具体的定义的,只有子类继承AbstractQueuedSynchronizer
那么state
才有意义,如在ReentrantLock
中,state=0
表示资源未被锁住,而state>=1
的时候,表示此资源已经被另外一个线程锁住。
AbstractQueuedSynchronizer
中虽然没有具体获取、修改state
的值,但是它为子类提供一些操作state
的模板方法:
获取状态
protected final int getState() {
return state;
}
更新状态
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
CAS更新状态
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
AQS 等待队列
AQS 等待列队是一个双向队列,队列中的成员都有一个prev
和next
成员,分别指向它前面的节点和后面的节点。
队列节点
在AbstractQueuedSynchronizer
内部,等待队列节点由内部静态类Node
表示:
static final class Node {
...
}
节点模式
队列中的节点有两种模式:
- 独占节点:同一时刻只能有一个线程访问资源,如
ReentrantLock
- 共享节点:同一时刻允许多个线程访问资源,如
Semaphore
节点的状态
等待队列中的节点有五种状态:
- CANCELLED:此节点对应的线程,已经被取消
- SIGNAL:此节点的下一个节点需要一个唤醒信号
- CONDITION:当前节点正在条件等待
- PROPAGATE:共享模式下会传播唤醒信号,就是说当一个线程使用共享模式访问资源时,如果成功访问到资源,就会继续唤醒等待队列中的线程。
自定义同步锁
为了便于理解,使用AQS自己实现一个简单的同步锁,感受一下使用AQS实现同步锁是多么的轻松。
下面的代码自定了一个CustomLock
类,继承了AbstractQueuedSynchronizer
,并且还实现了Lock
接口。
CustomLock
类是一个简单的可重入锁,类中只需要重写AbstractQueuedSynchronizer
中的tryAcquire
与tryRelease
方法,然后在修改少量的调用就可以实现一个最基本的同步锁。
public class CustomLock extends AbstractQueuedSynchronizer implements Lock {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
int state = getState();
if(state == 0){
if( compareAndSetState(state, arg)){
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "拿到了锁");
return true;
}
}else if(getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()){
int nextState = state + arg;
setState(nextState);
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "重入");
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
int state = getState() - arg;
if(getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()){
throw new IllegalMonitorStateException();
}
boolean free = false;
if(state == 0){
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
}
setState(state);
return free;
}
@Override
public void lock() {
acquire(1);
}
@Override
public void unlock() {
release(1);
}
...
}
CustomLock
是实现了Lock
接口,所以要重写lock
和unlock
方法,不过方法的代码很少只需要调用AQS中的acquire
和release
。
然后为了演示AQS的功能写了一个小演示程序,启动两根线程,分别命名为线程A
和线程B
,然后同时启动,调用runInLock
方法,模拟两条线程同时访问资源的场景:
public class CustomLockSample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock lock = new CustomLock();
new Thread(()->runInLock(lock), "线程A").start();
new Thread(()->runInLock(lock), "线程B").start();
}
private static void runInLock(Lock lock){
try {
lock.lock();
System.out.println("Hello: " + Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
访问资源(acquire)
在CustomLock的lock方法中,调用了 acquire(1)
,acquire
的代码如下 :
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
- CustomLock.tryAcquire(...):
CustomLock.tryAcquire
判断当前线程是否能够访问同步资源 - addWaiter(...):将当前线程添加到等待队列的队尾,当前节点为独占模型(Node.EXCLUSIVE)
- acquireQueued(...):如果当前线程能够访问资源,那么就会放行,如果不能那当前线程就需要阻塞。
- selfInterrupt:设置线程的中断标记
注意: 在acquire方法中,如果tryAcquire(arg)返回true, 就直接执行完了,线程被放行了。所以的后面的方法调用acquireQueued、addWaiter都是tryAcquire(arg)返回false时才会被调用。
tryAcquire 的作用
tryAcquire
在AQS类中是一个直接抛出异常的实现:
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
而在我们自定义的 CustomLock 中,重写了此方法:
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
int state = getState();
if(state == 0){
if( compareAndSetState(state, arg)){
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "拿到了锁");
return true;
}
}else if(getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()){
int nextState = state + arg;
setState(nextState);
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "重入");
return true;
}
return false;
}
tryAcquire
方法返回一个布而值,true
表示当前线程能够访问资源,false
当前线程不能访问资源,所以tryAcquire
的作用:决定线程是否能够访问受保护的资源。tryAcquire
里面的逻辑在子类可以自由发挥,AQS不关心这些,只需要知道能不能访问受保护的资源,然后来决定线程是放行还是进行等待队列(阻塞)。
因为是在多线程环境下执行,所以不同的线程执行tryAcquire
时会返回不同的值,假设线程A比线程B要快一步,先到达compareAndSetState
设置state的值成员并成功,那线程A就会返回true,而 B 由于state的值不为0或者compareAndSetState
执行失败,而返回false。
线程B 抢占锁流程
上面访问到线程A成功获得了锁,那线程B就会抢占失败,接着执行后面的方法。
线程的入队
线程的入队是逻辑是在addWaiter
方法中,addWaiter方法的具体逻辑也不需要说太多,如果你知道链表
的话,就非常容易理解了,最终的结果就是将新线程添加到队尾。AQS的中有两个属性head
、tail
分别指定等待队列的队首和队尾。
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;
}
}
}
}
需要注意的是在enq
方法中,初始化队列的时候,会新建一个Node
做为head
和tail
,然后在之后的循环中将参数node
添加到队尾,队列初始化完后,里面会有两个节点,一个是空的结点new Node()
另外一个就是对应当前线程的结点。
由于线程A在tryAcquire
时返回了true
,所以它会被直接放行,那么只有B线程会进入addWaiter
方法,此时的等待队列如下:
注意: 等待队列内的节点都是正在等待资源的线程,如果一个线程直接能够访问资源,那它压根就不需要进入等待队列,会被放行。
线程B 的阻塞
线程B被添加到等待队列的尾部后,会继续执行acquireQueued
方法,这个方法就是AQS阻塞线程的地方,acquireQueued
方法代码的一些解释:
- 外面是一个
for (;;)
无限循环,这个很重要 - 会重新调用一次
tryAcquire(arg)
判断线程是否能够访问资源了 node.predecessor()
获取参数node
的前一个节点shouldParkAfterFailedAcquire
判断当前线程获取锁失败后,需不需要阻塞parkAndCheckInterrupt()
使用LockSupport
阻塞当前线程,
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);
}
}
shouldParkAfterFailedAcquire 判断是否要阻塞
shouldParkAfterFailedAcquire
接收两个参数:前一个节点、当前节点,它会判断前一个节点的waitStatus
属性,如果前一个节点的waitStatus=Node.SIGNAL
就会返回true:
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
acquireQueued
方法在循环中会多次调用shouldParkAfterFailedAcquire
,在等待队列中节点的waitStatus
的属性默认为0,所以第一次执行shouldParkAfterFailedAcquire
会执行:
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
更新完pred.waitStatus
后,节点的状态如下:
然后shouldParkAfterFailedAcquire
返回false,回到acquireQueued
的循环体中,又去抢锁还是失败了,又会执行shouldParkAfterFailedAcquire
,第二次循环时此时的pred.waitStatus
等于Node.SIGNAL
那么就会返回true。
parkAndCheckInterrupt 阻塞线程
这个方法就比较直观了, 就是将线程的阻塞住:
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
为什么是一个for (;;)
无限循环呢
先看一个for (;;)
的退出条件,只有node
的前一个节点是head
并且tryAcquire返回true时才会退出循环,否则的话线程就会被parkAndCheckInterrupt
阻塞。
线程被parkAndCheckInterrupt
阻塞后就不会向下面执行了,但是等到它被唤醒后,它还在for (;;)
体中,然后又会继续先去抢占锁,然后如果还是失败,那又会处于等待状态,所以一直循环下去,就只有两个结果:
- 抢到锁退出循环
- 抢占锁失败,等待下一次唤醒再次抢占锁
线程 A 释放锁
线程A的业务代码执行完成后,会调用CustomLock.unlock
方法,释放锁。unlock方法内部调用的release(1)
:
public void unlock() {
release(1);
}
release
是AQS类的方法,它跟acquire
相反是释放的意思:
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
方法体中的tryRelease
是不是有点眼熟,没错,它也是在实现CustomLock
类时重写的方法,首先在tryRelease
中会判断当前线程是不是已经获得了锁,如果没有就直接抛出异常,否则的话计算state的值,如果state为0的话就可以释放锁了。
protected boolean tryRelease(int arg) {
int state = getState() - arg;
if(getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()){
throw new IllegalMonitorStateException();
}
boolean free = false;
if(state == 0){
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
}
setState(state);
return free;
}
release
方法只做了两件事:
- 调用
tryRelease
判断当前线程释放锁是否成功 - 如果当前线程锁释放锁成功,唤醒其他线程(也就是正在等待中的B线程)
tryRelease
返回true后,会执行if里面的代码块:
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
先回顾一下现在的等待队列的样子:
根据上面的图,来走下流程:
- 首先拿到
head
属性的对象,也就是队列的第一个对象 - 判断
head
不等于空,并且waitStatus!=0,很明显现在的waitStatus是等于Node. SIGNAL
的,它的值是-1
所以if (h != null && h.waitStatus != 0)
这个if肯定是满足条件的,接着执行unparkSuccessor(h)
:
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
...
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
unparkSuccessor
首先将node.waitStatus
设置为0,然后获取node的下一个节点,最后调用LockSupport.unpark(s.thread)
唤醒线程,至此我们的B线程就被唤醒了。
此时的队列又回到了,线程B刚刚入队的样子:
线程B 唤醒之后
线程A释放锁后,会唤醒线程B,回到线程B的阻塞点,acquireQueued
的for循环中:
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);
}
}
线程唤醒后的第一件事就是,拿到它的上一个节点(当前是head结点),然后使用if判断
if (p == head && tryAcquire(arg))
根据现在等待队列中的节点状态,p == head
是返回true的,然后就是tryAcquire(arg)
了,由于线程A已经释放了锁,那现在的线程B自然就能获取到锁了,所以tryAcquire(arg)也会返回true。
设置队列头
线路B拿到锁后,会调用setHead(node)
自己设置为队列的头:
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
调用setHead(node)
后队列会发生些变化 :
移除上一个节点
setHead(node)
执行完后,接着按上一个节点完全移除:
p.next = null;
此时的队列:
线程B 释放锁
线程B 释放锁的流程与线程A基本一致,只是当前队列中已经没有需要唤醒的线程,所以不需要执行代码去唤醒其他线程:
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
h != null && h.waitStatus != 0
这里的h.waitStatus
已经是0了,不满足条件,不会去唤醒其他线程。
总结
文中通过自定义一个CustomLock
类,然后通过查看AQS源码来学习AQS的部分原理。通过完整的走完锁的获取、释放两个流程,加深对AQS的理解,希望对大家有所帮助。
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