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[Java教程]AQS详解

一、概述

  谈到并发,不得不谈ReentrantLock;而谈到ReentrantLock,不得不谈AbstractQueuedSynchronized(AQS)!

  类如其名,抽象的队列式的同步器,AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,许多同步器实现都继承于它,如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

二、框架

  它维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。这里volatile是核心关键词,具体volatile的语义,在此不述。state的访问方式有三种:

  • getState()
  • setState()
  • compareAndSetState()

  AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)。

  不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于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),AQS已经在顶层实现好了。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,成功则返回true,失败则返回false。

  以ReentrantLock为例,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。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

  再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

  一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReadWriteLock。这些线程会放在一个FIFO队列里,只不过会在每个结点上做标记以便区分。

三、源码详解

3.1 acquire(int)

  此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。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。这也正是lock()的语义,当然不仅仅只限于lock()。当然,获取到资源后,线程就可以去执行其临界区代码了。

  需要注意的是,整个过程忽略中断。下面是acquire()的源码:

1 public final void acquire(int arg) {2   if (!tryAcquire(arg) &&3     acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))4     selfInterrupt();5 }

 

函数流程如下:

  1. tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;
  2. addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
  3. acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源。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。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过,这时再进行自我中断,将中断补上。

如果这时看流程还有点朦胧,不要紧,看完接下来的分析后,你就会明白了。就像《大话西游》里唐僧说的:当你明白舍生取义的道理后,你自然会跟我一起来唱这首歌。

3.1.1 tryAcquire()

  此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功,则直接返回true,否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义,还是那句话,当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码:

1   protected boolean tryAcquire(int arg) {2     throw new UnsupportedOperationException();3   }

 

  什么?直接throw异常?说好的功能呢?好吧,还记得概述里讲的AQS只是一个框架,具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗?就是这里了!!!AQS这里只定义了一个接口,具体资源的获取交由自定义同步器去实现了!!!至于能不能重入,能不能加塞,那就看具体的自定义同步器怎么去设计了!!!

3.1.2 addWaiter()

  此方法用于将当前线程加入到等待队列里,并返回当前线程所在的结点。还是上源码吧:

 1 private Node addWaiter(Node mode) { 2   //以给定模式构造结点。mode有两种:EXCLUSIVE(独占)和SHARED(共享) 3   Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 4    5   //尝试快速方式直接放到队尾。 6   Node pred = tail; 7   if (pred != null) { 8     node.prev = pred; 9     if (compareAndSetTail(pred, node)) {10       pred.next = node;11       return node;12     }13   }14   15   //上一步失败则通过enq入队。16   enq(node);17   return node;18 }

 

不用再说了,直接看注释吧。

3.1.2.1 enq(Node)

   此方法用于将node加入队尾。源码如下:

 1 private Node enq(final Node node) { 2   //CAS"自旋",直到成功加入队尾 3   for (;;) { 4     Node t = tail; 5     if (t == null) { // 队列为空,创建一个空的标志结点作为head结点,并将tail也指向它。 6       if (compareAndSetHead(new Node())) 7         tail = head; 8     } else {//正常流程,放入队尾 9       node.prev = t;10       if (compareAndSetTail(t, node)) {11         t.next = node;12         return t;13       }14     }15   }16 }

 

如果你看过AtomicInteger.getAndSet()函数源码,那么相信你一眼便看出是这段代码的精华。CAS自旋volatile变量,是一种很经典的用法。还不太了解的,自己去百度一下吧。

3.1.3 acquireQueued(Node, arg)

  OK,通过tryAcquire()和addWaiter(),该线程获取资源失败,已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧:进入等待状态休息,直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己,自己再拿到资源,然后就可以去干自己想干的事了。没错,就是这样!是不是跟医院排除拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事:在等待队列中排队拿号(中间没其它事干可以休息),直到拿到号后再返回。这个函数非常关键,还是上源码吧:

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 2   boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源 3   try { 4     boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过 5      6     //又是一个“自旋”! 7     for (;;) { 8       final Node p = node.predecessor();//拿到前驱 9       //如果前驱是head,即该结点已到队头,那么便有资格去尝试获取资源。10       if (p == head && tryAcquire(arg)) {11         setHead(node);//拿到资源后,将head指向该结点12         p.next = null; // setHead中node.prev已置为null,此处再将head.next置为null,就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了!13         failed = false;14         return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过15       }16       17       //如果自己可以休息了,就进入waiting状态,直到被unpark()18       if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&19         parkAndCheckInterrupt())20         interrupted = true;//如果等待过程中被中断过,哪怕只有那么一次,就将interrupted标记为true21     }22   } finally {23     if (failed)24       cancelAcquire(node);25   }26 }

 

到这里了,我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程,先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。

3.1.3.1 shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

  此方法主要用于检查状态,看看自己是否真的可以去休息了(进入waiting状态,如果线程状态转换不熟,可以参考本人写的Thread详解),万一队列前边的人都放弃了只是瞎站着,那也说不定,对吧!

 1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 2   int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态 3   if (ws == Node.SIGNAL) 4     //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下,那就可以安心休息了 5     return true; 6   if (ws > 0) { 7     /* 8      * 如果前驱放弃了,那就一直往前找,直到找到最近一个正常等待的状态,并排在它的后边。 9      * 注意:那些放弃的结点,由于被自己“加塞”到它们前边,它们相当于形成一个无引用链,稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)!10     */11     do {12       node.prev = pred = pred.prev;13     } while (pred.waitStatus > 0);14     pred.next = node;15   } else {16     //如果前驱正常,那就把前驱的状态设置成SIGNAL,告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败,人家说不定刚刚释放完呢!17     compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);18   }19   return false;20 }

 

整个流程中,如果前驱结点的状态不是SIGNAL,那么自己就不能安心去休息,需要去找个安心的休息点,同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

3.1.3.2 parkAndCheckInterrupt()

  如果线程找好安全休息点后,那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息,真正进入等待状态。

1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {2   LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态3   return Thread.interrupted();//如果被唤醒,查看自己是不是被中断的。4 }

   park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下,有两种途径可以唤醒该线程:1)被unpark();2)被interrupt()。(再说一句,如果线程状态转换不熟,可以参考本人写的Thread详解)。需要注意的是,Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。

 

  OK,看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt(),现在让我们再回到acquireQueued(),总结下该函数的具体流程:

  1. 结点进入队尾后,检查状态,找到安全休息点;
  2. 调用park()进入waiting状态,等待unpark()或interrupt()唤醒自己;
  3. 被唤醒后,看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到,head指向当前结点,并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过;如果没拿到,继续流程1。

 

  OKOK,acquireQueued()分析完之后,我们接下来再回到acquire()!再贴上它的源码吧:

1 public final void acquire(int arg) {2   if (!tryAcquire(arg) &&3     acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))4     selfInterrupt();5 }

再来总结下它的流程吧:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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。
  4. 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。

由于此函数是重中之重,我再用流程图总结一下:

至此,acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程,不信你去看其lock()源码吧,整个函数就是一条acquire(1)!!!