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[Java教程]Java并发包源码学习之AQS框架(二)CLH lock queue和自旋锁


上一篇文章提到AQS是基于CLH lock queue,那么什么是CLH lock queue,说复杂很复杂说简单也简单, 所谓大道至简:

CLH lock queue其实就是一个FIFO的队列,队列中的每个结点(线程)只要等待其前继释放锁就可以了。

AbstractQueuedSynchronizer是通过一个内部类Node来实现CLH lock queue的一个变种,但基本原理是类似的。

在介绍Node类之前,我们来介绍下Spin Lock,通常就是用CLH lock queue来实现自旋锁,所谓自旋锁简单来说就是线程通过循环来等待而不是睡眠。 Talk 再多不如 show code:

class ClhSpinLock {  private final ThreadLocal<Node> prev;  private final ThreadLocal<Node> node;  private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<Node>(new Node());  public ClhSpinLock() {    this.node = new ThreadLocal<Node>() {      protected Node initialValue() {        return new Node();      }    };    this.prev = new ThreadLocal<Node>() {      protected Node initialValue() {        return null;      }    };  }  public void lock() {    final Node node = this.node.get();    node.locked = true;    // 一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中,    // 并且同时获得了前继节点的引用,然后就是等待前继释放锁    Node pred = this.tail.getAndSet(node);    this.prev.set(pred);    while (pred.locked) {// 进入自旋    }  }  public void unlock() {    final Node node = this.node.get();    node.locked = false;    this.node.set(this.prev.get());  }  private static class Node {    private volatile boolean locked;  }}

上面的代码中线程巧妙的通过ThreadLocal保存了当前结点和前继结点的引用,自旋就是lock中的while循环。 总的来说这种实现的好处是保证所有等待线程的公平竞争,而且没有竞争同一个变量,因为每个线程只要等待自己的前继释放就好了。 而自旋的好处是线程不需要睡眠和唤醒,减小了系统调用的开销。

public static void main(String[] args) {  final ClhSpinLock lock = new ClhSpinLock();  lock.lock();  for (int i = 0; i < 10; i++) {    new Thread(new Runnable() {      @Override      public void run() {        lock.lock();        System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " acquired the lock!");        lock.unlock();      }    }).start();    Thread.sleep(100);  }  System.out.println("main thread unlock!");  lock.unlock();}

上面代码的运行的结果应该跟上一篇文章中的完全一样。

ClhSpinLock的Node类实现很简单只有一个布尔值,AbstractQueuedSynchronizer$Node的实现稍微复杂点,大概是这样的:

   +------+ prev +-----+    +-----+head |   | <---- |   | <---- |   | tail   +------+    +-----+    +-----+

  • head:头指针
  • tail:尾指针
  • prev:指向前继的指针
  • next:这个指针图中没有画出来,它跟prev相反,指向后继

关键不同就是next指针,这是因为AQS中线程不是一直在自旋的,而可能会反复的睡眠和唤醒,这就需要前继释放锁的时候通过next 指针找到其后继将其唤醒,也就是AQS的等待队列中后继是被前继唤醒的。AQS结合了自旋和睡眠/唤醒两种方法的优点。

其中线程的睡眠和唤醒就是用到我下一篇文章将要讲到的LockSupport

最后提一点,上面的ClhSpinLock类中还有一个关键的点就是lock方法中注释的地方:

一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中,并获取到其前继。

实际上可以说整个AQS框架都是建立在CAS的基础上的,这些原子操作是多线程竞争的核心地带,AQS中很多绕来绕去的代码都是为了 减少竞争。我会在后面AbstractQueuedSynchronizer源码分析中做详细介绍。