目录
- 概述
- 自定义独占锁例子
- 核心原理机制
- 源码解析
- 成员变量
- 独占锁获取acquire(int)
- 独占锁释放release(int)
- 总结
概述
稍微对并发源码了解的朋友都知道,很多并发工具如ReentrantLock、CountdownLatch的实现都是依赖AQS, 全称AbstractQueuedSynchronizer。
AQS是一种提供了原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。一般来说,同步工具实现锁的控制分为独占锁和共享锁,而AQS提供了对这两种模式的支持。
独占锁: 也叫排他锁,即锁只能由一个线程获取,若一个线程获取了锁,则其他想要获取锁的线程只能等待,直到锁被释放。比如说写锁,对于写操作,每次只能由一个线程进行,若多个线程同时进行写操作,将很可能出现线程安全问题,比如jdk中的ReentrantLock。
共享锁: 锁可以由多个线程同时获取,锁被获取一次,则锁的计数器+1。比较典型的就是读锁,读操作并不会产生副作用,所以可以允许多个线程同时对数据进行读操作,而不会有线程安全问题,当然,前提是这个过程中没有线程在进行写操作,比如ReadWriteLock和CountdownLatch。
本文重点讲解下AQS对独占锁模式的支持。
自定义独占锁例子
首先我们自定义一个非常简单的独占锁同步器demo, 来了解下AQS的使用。
public class ExclusiveLock implements Lock { // 同步器,继承自AQS private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 重写获取锁的方式 @Override protected boolean tryAcquire(int acquires) { assert acquires == 1; // cas的方式抢锁 if(compareAndSetState(0, 1)) { // 设置抢占锁的线程为当前线程 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } @Override protected boolean tryRelease(int releases) { assert releases == 1; if (getState() == 0) { throw new IllegalMonitorStateException(); }; //设置抢占锁的线程为null setExclusiveOwnerThread(null); // 释放锁 setState(0); return true; } } private final Sync sync = new Sync(); @Override public void lock() { sync.acquire(1); } @Override public void unlock() { sync.release(1); } @Override public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireInterruptibly(1); } @Override public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); } @Override public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time)); } @Override public Condition newCondition() { return null; } }
这里是一个不可重入独占锁类,它使用值0表示未锁定状态,使用值1表示锁定状态。
验证:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExclusiveLock exclusiveLock = new ExclusiveLock(); new Thread(() -> { try { exclusiveLock.lock(); System.out.println("thread1 get lock"); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { exclusiveLock.unlock(); System.out.println("thread1 release lock"); } }).start(); new Thread(() -> { try { exclusiveLock.lock(); System.out.println("thread2 get lock"); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { exclusiveLock.unlock(); System.out.println("thread2 release lock"); } }).start(); Thread.currentThread().join(); }
这样一个很简单的独占锁同步器就实现了,下面我们了解下它的核心机制。
核心原理机制
如果让你设计一个独占锁你要考虑哪些方面呢?
- 线程如何表示抢占锁资源成功呢?是不是可以个状态state标记,state=1表示有线程持有锁,其他线程等待。
- 其他抢锁失败的线程维护在哪里呢?是不是要引入一个队列维护获取锁失败的线程队列?
- 那如何让线程实现阻塞呢?还记得LockSupport.park和unpark可以实现线程的阻塞和唤醒吗?
这些问题我们可以再AQS的数据结构和源码中统一找到答案。
AQS内部维护了一个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)。
以上面个的例子为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用AQS的acquire方法,acquire会调用子类重写的tryAcquire()方法,通过cas的方式抢占锁。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,进入到CLH队列中,直到A线程unlock()即释放锁为止,即将state还原为0,其它线程才有机会获取该锁。
AQS作为一个抽象方法,提供了加锁、和释放锁的框架,这里采用的模板方模式,在上面中提到的tryAcquire
、tryRelease
就是和独占模式相关的模板方法,其他的模板方法和共享锁模式或者Condition相关,本文不展开讨论。
源码解析
上图是AQS的类结构图,其中标红部分是组成AQS的重要成员变量。
成员变量
state共享变量
AQS中里一个很重要的字段state,表示同步状态,是由volatile修饰的,用于展示当前临界资源的获锁情况。通过getState(),setState(),compareAndSetState()三个方法进行维护。
关于state的几个要点:
- 使用volatile修饰,保证多线程间的可见性。
- getState()、setState()、compareAndSetState()使用final修饰,限制子类不能对其重写。
- compareAndSetState()采用乐观锁思想的CAS算法,保证原子性操作。
CLH队列(FIFO队列)
AQS里另一个重要的概念就是CLH队列,它是一个双向链表队列,其内部由head和tail分别记录头结点和尾结点,队列的元素类型是Node。
private transient volatile Node head; private transient volatile Node tail;
Node的结构如下:
static final class Node { //共享模式下的等待标记 static final Node SHARED = new Node(); //独占模式下的等待标记 static final Node EXCLUSIVE = null; //表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断(响应中断的情况下),会触发变更为此状态,进入该状态后的结点将不会再变化。 static final int CANCELLED = 1; //表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时,会将前继结点的状态更新为SIGNAL。 static final int SIGNAL = -1; //表示结点等待在Condition上,当其他线程调用了Condition的signal()方法后,CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中,等待获取同步锁。 static final int CONDITION = -2; //共享模式下,前继结点不仅会唤醒其后继结点,同时也可能会唤醒后继的后继结点。 static final int PROPAGATE = -3; //状态,包括上面的四种状态值,初始值为0,一般是节点的初始状态 volatile int waitStatus; //上一个节点的引用 volatile Node prev; //下一个节点的引用 volatile Node next; //保存在当前节点的线程引用 volatile Thread thread; //condition队列的后续节点 Node nextWaiter; }
注意,waitSstatus负值表示结点处于有效等待状态,而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常。
exclusiveOwnerThread
AQS通过继承AbstractOwnableSynchronizer类,拥有的属性。表示独占模式下同步器持有的线程。
独占锁获取acquire(int)
acquire(int)是独占模式下线程获取共享资源的入口方法。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
方法的整体流程如下:
- tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回。
- 如果失败则调用addWaiter()方法把当前线程包装成Node(状态为EXCLUSIVE,标记为独占模式)插入到CLH队列末尾。
- acquireQueued()方法使线程阻塞在等待队列中获取资源,一直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。
- 线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只有线程获取到资源后,acquireQueued返回true,响应中断。
tryAcquire(int)
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。
//直接抛出异常,这是由子类进行实现的方法,体现了模板模式的思想 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
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,比如公平锁有公平锁的获取方式,非公平锁有非公平锁的获取方式。
addWaiter(Node)
此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾。
// 将线程封装成一个节点,放入同步队列的尾部 private Node addWaiter(Node mode) { // 当前线程封装成同步队列的一个节点Node Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 这个节点需要插入到原尾节点的后面,所以我们在这里先记下原来的尾节点 Node pred = tail; // 判断尾节点是否为空,若为空表示队列中还没有节点,则不执行以下步骤 if (pred != null) { // 记录新节点的前一个节点为原尾节点 node.prev = pred; // 将新节点设置为新尾节点,使用CAS操作保证了原子性 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 若设置成功,则让原来的尾节点的next指向新尾节点 pred.next = node; return node; } } // 若以上操作失败,则调用enq方法继续尝试(enq方法见下面) enq(node); return node; } private Node enq(final Node node) { // 使用死循环不断尝试 for (;;) { // 记录原尾节点 Node t = tail; // 若原尾节点为空,则必须先初始化同步队列,初始化之后,下一次循环会将新节点加入队列 if (t == null) { // 使用CAS设置创建一个默认的节点作为首届点 if (compareAndSetHead(new Node())) // 首尾指向同一个节点 tail = head; } else { // 以下操作与addWaiter方法中的if语句块内一致 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
它的执行过程大致可以总结为:将新线程封装成一个节点,加入到同步队列的尾部,若同步队列为空,则先在其中加入一个默认的节点,再进行加入;若加入失败,则使用死循环(也叫自旋)不断尝试,直到成功为止。
acquireQueued(Node, int)
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。接下来要干嘛呢?
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。可以想象成医院排队拿号,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。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { //标记是否成功拿到资源 boolean failed = true; try { //标记等待过程中是否被中断过 boolean interrupted = false; //“自旋”! for (;;) { //拿到前驱 final Node p = node.predecessor(); //如果前驱是head,即该结点已成老二,那么便有资格去尝试获取资源(可能是老大释放完资源唤醒自己的,当然也可能被interrupt了)。 if (p == head && tryAcquire(arg)) { //拿到资源后,将head指向该结点。所以head所指的标杆结点,就是当前获取到资源的那个结点或null。 setHead(node); // 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! p.next = null; // 成功获取资源 failed = false; //返回等待过程中是否被中断过 return interrupted; } //如果自己可以休息了,就通过park()进入waiting状态,直到被unpark()。 // 如果不可中断的情况下被中断了,那么会从park()中醒过来,发现拿不到资源,从而继续进入park()等待。 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) //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true interrupted = true; } } finally { if (failed) // 如果等待过程中没有成功获取资源(如timeout,或者可中断的情况下被中断了),那么取消结点在队列中的等待。 cancelAcquire(node); } }
小结一下:让线程在同步队列中阻塞,直到它成为头节点的下一个节点,被头节点对应的线程唤醒,然后开始获取锁,若获取成功才会从方法中返回。这个方法会返回一个boolean值,表示这个正在同步队列中的线程是否被中断。
shouldParkAfterFailedAcquire()
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。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //拿到前驱的状态 int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) //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 return true; if (ws > 0) { /* * 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。 * 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)! */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { //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! compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
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。
parkAndCheckInterrupt()
这个方法是真正实现线程阻塞,休息的地方。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { // 调用park()使线程进入waiting状态 LockSupport.park(this); //调用park()使线程进入waiting状态 return Thread.interrupted(); }
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()。
selfInterrupt()
static void selfInterrupt() { Thread.currentThread().interrupt(); }
中断线程,设置线程的中断位true。因为parkAndCheckInterrupt方法中的Thread.interrupted()会清楚中断标记,需要在selfInterrupt方法中将中断补上。
整个流程可以用下面一个图来说明。
独占锁释放release(int)
release(int)
是独占模式下线程释放共享资源的入口。它会释放指定量的资源,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
public final boolean release(int arg) { // 上边自定义的tryRelease如果返回true,说明该锁没有被任何线程持有 if (tryRelease(arg)) { // 获取头结点 Node h = head; // 头结点不为空并且头结点的waitStatus不是初始化节点情况,解除线程挂起状态 if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
这里的判断条件为什么是h != null && h.waitStatus != 0?
- h == null Head还没初始化。初始情况下,head == null,第一个节点入队,Head会被初始化一个虚拟节点。所以说,这里如果还没来得及入队,就会出现head == null 的情况。
- h != null && waitStatus == 0 表明后继节点对应的线程仍在运行中,不需要唤醒。
- h != null && waitStatus < 0 表明后继节点可能被阻塞了,需要唤醒。
tryRelease(int)
tryRelease是一个模板方法,由子类实现,定义释放锁的逻辑。
protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
因为这是独占模式,该线程来释放资源,那么它肯定已经拿到独占资源了,直接减掉相应量的资源即可(state-=arg),也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值,上面已经提到了,release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了!所以自义定同步器在实现时,如果已经彻底释放资源(state=0),要返回true,否则返回false。
unparkSuccessor(Node)
private void unparkSuccessor(Node node) { // 获取头结点waitStatus int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 获取当前节点的下一个节点 Node s = node.next; // 如果下个节点是null或者下个节点被cancelled,就找到队列最开始的非cancelled的节点 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 就从尾部节点开始找,到队首,找到队列第一个waitStatus<0的节点。 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 如果当前节点的下个节点不为空,而且状态<=0,就把当前节点unpark if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
为什么要从后往前找第一个非Cancelled的节点呢?
之前的addWaiter方法:
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; }
我们从这里可以看到,节点入队并不是原子操作,也就是说,node.prev = pred; compareAndSetTail(pred, node) 这两个地方可以看作Tail入队的原子操作,但是此时pred.next = node;还没执行,如果这个时候执行了unparkSuccessor方法,就没办法从前往后找了,所以需要从后往前找。还有一点原因,在产生CANCELLED状态节点的时候,先断开的是Next指针,Prev指针并未断开,因此也是必须要从后往前遍历才能够遍历完全部的Node。
综上所述,如果是从前往后找,由于极端情况下入队的非原子操作和CANCELLED节点产生过程中断开Next指针的操作,可能会导致无法遍历所有的节点。所以,唤醒对应的线程后,对应的线程就会继续往下执行。
总结
本文主要讲解了AQS的独占模式,最关键的是acquire()和release这两个和独占息息相关的方法,同时通过一个自定义简单的demo帮助大家深入浅出的理解,其实AQS的功能不限于此,内容很多,这里就先分享一个最基础独占锁的原理,希望对大家有帮助。
以上就是深入了解Java并发AQS的独占锁模式的详细内容,更多关于Java并发AQS独占锁模式的资料请关注自由互联其它相关文章!