JUC中AQS简介

AQS,在java.util.concurrent.locks包中,AbstractQueuedSynchronizer这个类是并发包中的核心,了解其他类之前,需要先弄清楚AQS。在JUC的很多类中都会存在一个内部类Sync,Sync都是继承自AbstractQueuedSynchronizer,相信不用说就能明白AQS有多重要。

AQS原理

AQS就是一个同步器,要做的事情就相当于一个锁,所以就会有两个动作:一个是获取,一个是释放。获取释放的时候该有一个东西来记住他是被用还是没被用,这个东西就是一个状态。如果锁被获取了,也就是被用了,还有很多其他的要来获取锁,总不能给全部拒绝了,这时候就需要他们排队,这里就需要一个队列。这大概就清楚了AQS的主要构成了:

  • 获取和释放两个动作
  • 同步状态(原子操作)
  • 阻塞队列

state

AQS用32位整形来表示同步状态。

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private volatile int state;

在互斥锁中表示线程是否已经获取了锁,0未获取,1已经获取,大于1表示重入数。

AQS提供了getState(),setState(),compareAndSetState()来获取和修改state的值,这些操作需要atomic包的支持,采用CAS操作,保证其原子性和可见性。

AQS的CLH锁队列

CLH其实就是一个FIFO的队列,只不过稍微做了点改进。AQS中内部使用内部类Node来实现,是一个链表队列,原始CLH使用自旋锁,AQS的CLH则在每个node里使用一个状态字段来控制阻塞,不是自旋。直接看代码:

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/**
+------+ prev +-----+ +-----+
head | | <---- | | <---- | | tail
+------+ +-----+ +-----+
/**
static final class Node {
//作为共享模式
static final Node SHARED = new Node();
//作为独占模式
static final Node EXCLUSIVE = null;
//等待状态:表示节点中线程是已被取消的
static final int CANCELLED = 1;
//等待状态:表示当前节点的后继节点的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
//等待状态:表示线程正在等待条件
static final int CONDITION = -2;
//等待状态:表示下一个共享模式的节点应该无条件的传播下去
static final int PROPAGATE = -3;
//等待状态,初始化为0,剩下的状态就是上面列出的
volatile int waitStatus;
//当前节点的前驱节点
volatile Node prev;
//后继节点
volatile Node next;
//当前节点的线程
volatile Thread thread;
//
Node nextWaiter;
//是否是共享节点
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
//当前节点的前驱节点
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}

Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}

Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}

Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}

共享锁和互斥锁

AQS的CLH队列锁中,每个节点代表着一个需要获取锁的线程,该node中有两个常量SHARED共享模式,EXCLUSIVE独占模式。

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/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;

共享模式允许多个线程可以获取同一个锁,独占模式则一个锁只能被一个线程持有,其他线程必须要等待。

AQS源码

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//阻塞队列的队列头
private transient volatile Node head;
//队列尾
private transient volatile Node tail;
//同步状态,这就是上面提到的需要原子操作的状态
private volatile int state;
//返回当前同步器的状态
protected final int getState() {
return state;
}
//设置同步器的状态
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//原子的设置当前同步器的状态
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
//
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;

独占模式的获取

acquire,独占,忽略中断

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//独占模式的获取方法,会忽略中断
//tryAcquire方法会被至少调用一次,由子类实现
//如果tryAcquire不能成功,当前线程就会进入队列排队
public final void acquire(int arg) {
//首先调用tryAcquire尝试获取
//获取不成功,就使用acquireQueued使线程进入等待队列
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}

tryAcquire方法:

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//由子类来实现
//尝试在独占模式下获取,会查询该对象的状态是否允许在独占模式下获取
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

使用指定的模式创建一个节点,添加到AQS链表队列中:

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private Node addWaiter(Node mode) {
//当前线程,指定的mode,共享或者独占
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//先尝试使用直接添加进队列
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//使用添加节点的方法
enq(node);
return node;
}

向队列中插入节点:

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//会插入节点到对列中
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
//尾节点
Node t = tail;
//需要实例化一个队列
if (t == null) { // Must initialize
//使用cas创建头节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

tryAcquire没有获取到,就会先使用addWaiter添加进队列,然后使用acquireQueued从队列获取,如果这时候获取成功,则替换当前节点为队列头,然后返回:

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//独占模式处理正在排队等待的线程。
//自旋,直至获取成功才返回
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//当前获取是否失败
boolean failed = true;
try {
//获取是否被中断
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//获取当前节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();

//head节点要么是刚才初始化的节点
//要么就是成功获取锁的节点
//如果当前节点的前驱节点是head,当前节点就应该去尝试获取锁了
//当前节点的前驱节点是头节点,就尝试获取
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取成功的话,就把当前节点设置为头节点
setHead(node);
//之前的head节点的next引用设为null
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//查看当前节点是否应该被park
//如果应该,就park当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
//失败了,取消当前线程
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

设置头节点,只能被获取方法调用:

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private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}

shouldParkAfterFailedAcquire方法,查看是否应该被park:

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private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//前驱节点中保存的等待状态
int ws = pred.waitStatus;
//等待状态是signal,也就是当前节点在等着被唤醒
//此时当前节点应该park
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;

//等待状态大于0表示前驱节点已经取消
//会向前找到一个非取消状态的节点
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//将前驱节点的waitStatus设置为signal,表示当前需要被park
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}

看下parkAndCheckInterrupt方法:

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//挂起当前线程,并返回当前中断状态
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//挂起当前线程
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

cancelAcquire取消当前节点:

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private void cancelAcquire(Node node) {
//节点不存在
if (node == null)
return;
//节点的线程引用设为null
node.thread = null;

//前驱节点
Node pred = node.prev;
//大于0表示前驱节点被取消
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;

//前驱节点的下一个是需要移除的节点
Node predNext = pred.next;

//设置节点状态为取消
node.waitStatus = Node.CANCELLED;

//如果是尾节点,直接取消,将前一个节点设置为尾节点
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {//不是尾节点,说明有后继节点,将前驱节点的next纸箱后继节点
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
unparkSuccessor(node);
}

node.next = node; // help GC
}
}

acquireInterruptibly 独占,可中断

跟独占忽略中断类似,不再解释。

tryAcquireNanos,独占,可超时,可中断

跟上面类似,但是在doAcquireNanos中会获取当前时间,并获取LockSupport.parkNanos之后的时间在做超时时间的重新计算,到了超时时间,就返回false。

独占模式的释放

release,独占,忽略中断

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public final boolean release(int arg) {
//尝试释放,修改状态
if (tryRelease(arg)) {
//成功释放
//head代表初始化的节点,或者是当前占有锁的节点
//需要unpark后继节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}

unparkSuccessor:

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private void unparkSuccessor(Node node) {
//头节点中保存的waitStatus
int ws = node.waitStatus;
//重置头节点状态为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//后继节点
Node s = node.next;
//后继节点为null或者已经取消
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
//从最后往前找有效的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
//unpark
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}

共享模式的获取

acquireShared,共享,忽略中断

acquireSharedInterruptibly,共享,可中断

tryAcquireSharedNanos,共享,可设置超时,可中断

共享模式的释放

releaseShared

共享模式的和独占模式基本差不多,和独占式的acquireQueued方法区别就是在获取成功的节点后会继续unpark后继节点,将共享状态向后传播。

LockSupport

用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。每个使用LockSupport的线程都会与一个许可关联,如果该许可可用并且可在进程中使用,则调用park()将会立即返回,否则可能阻塞。如果许可不可用,可调用unpark使其可用。

许可不可重入,只能调用一次park()方法,否则会一直阻塞。

park()和unpark()作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程,且park和unpark不会遇到suspend和resume可能引发的死锁问题。

park,如果许可可用,使用该许可,并且该调用立即返回;否则为线程调度禁用当前线程,并在发生以下三种情况之一之前,使其处于休眠状态:

* 其他某个线程将当前线程作为目标调用unpark
* 其他某个线程中断当前线程
* 该调用不合逻辑的返回

unpark,如果给定的线程尚不可用,则使其可用。如果线程在park上受阻塞,则它将解除其阻塞状态。否则,保证下一次调用park不受阻塞。如果给定线程尚未启动,则无法保证此操作有任何效果。

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