一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer
本文转自:https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer
在分析 Java 并发包 java.util.concurrent 源码的时候,少不了需要了解 AbstractQueuedSynchronizer(以下简写AQS)这个抽象类,因为它是 Java 并发包的基础工具类,是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。
AQS结构
// 头结点,你直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点,每个新的节点进来,都插入到最后,也就形成了一个链表
private transient volatile Node tail;
// 这个是最重要的,代表当前锁的状态,0代表没有被占用,大于 0 代表有线程持有当前锁
// 这个值可以大于 1,是因为锁可以重入,每次重入都加上 1
private volatile int state;
// 代表当前持有独占锁的线程,举个最重要的使用例子,因为锁可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次,所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer
AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意如下所示,注意了,之后分析过程中所说的 queue,也就是阻塞队列不包含 head,不包含 head,不包含 head。
等待队列中每个线程被包装成一个 Node 实例,数据结构是链表,一起看看源码吧:
static final class Node {
// 标识节点当前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
// 标识节点当前在独占模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 代码此线程取消了争抢这个锁
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是,其表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition,所以略过吧,下一篇文章会介绍这个
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 同样的不分析,略过吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值为上面的1、-1、-2、-3,或者0(以后会讲到)
// 这么理解,暂时只需要知道如果这个值 大于0 代表此线程取消了等待,
// ps: 半天抢不到锁,不抢了,ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驱节点的引用
volatile Node prev;
// 后继节点的引用
volatile Node next;
// 这个就是线程本尊
volatile Thread thread;
}
Node 的数据结构其实也挺简单的,就是 thread + waitStatus + pre + next
四个属性而已,大家先要有这个概念在心里。
上面的是基础知识,后面会多次用到,心里要时刻记着它们,心里想着这个结构图就可以了。下面,我们开始说 ReentrantLock 的公平锁。再次强调,我说的阻塞队列不包含 head 节点。
首先,我们先看下 ReentrantLock 的使用方式。
// 我用个web开发中的service概念吧
public class OrderService {
// 使用static,这样每个线程拿到的是同一把锁,当然,spring mvc中service默认就是单例,别纠结这个
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
public void createOrder() {
// 比如我们同一时间,只允许一个线程创建订单
reentrantLock.lock();
// 通常,lock 之后紧跟着 try 语句
try {
// 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程),
// 其他的线程在lock()方法上阻塞,等待获取到锁,再进来
// 执行代码...
// 执行代码...
// 执行代码...
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁,所以真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{}
Sync 有两个实现,分别为 NonfairSync(非公平锁)和 FairSync(公平锁),我们看 FairSync 部分。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
线程抢锁
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 争锁
final void lock() {
acquire(1);
}
// 来自父类AQS,我直接贴过来这边,下面分析的时候同样会这样做,不会给读者带来阅读压力
// 我们看到,这个方法,如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
// 否则,acquireQueued方法会将线程压到队列中
public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
// 首先调用tryAcquire(1)一下,名字上就知道,这个只是试一试
// 因为有可能直接就成功了呢,也就不需要进队列排队了,
// 对于公平锁的语义就是:本来就没人持有锁,根本没必要进队列等待(又是挂起,又是等待被唤醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)没有成功,这个时候需要把当前线程挂起,放到阻塞队列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 尝试直接获取锁,返回值是boolean,代表是否获取到锁
// 返回true:1.没有线程在等待锁;2.重入锁,线程本来就持有锁,也就可以理所当然可以直接获取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此时此刻没有线程持有锁
if (c == 0) {
// 虽然此时此刻锁是可以用的,但是这是公平锁,既然是公平,就得讲究先来后到,
// 看看有没有别人在队列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有线程在等待,那就用CAS尝试一下,成功了就获取到锁了,
// 不成功的话,只能说明一个问题,就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 =_=
// 因为刚刚还没人的,我判断过了
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到这里就是获取到锁了,标记一下,告诉大家,现在是我占用了锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 会进入这个else if分支,说明是重入了,需要操作:state=state+1
// 这里不存在并发问题
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 如果到这里,说明前面的if和else if都没有返回true,说明没有获取到锁
// 回到上面一个外层调用方法继续看:
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
return false;
}
解锁操作
最后,就是还需要介绍下唤醒的动作了。我们知道,正常情况下,如果线程没获取到锁,线程会被LockSupport.park(this)
; 挂起停止,等待被唤醒。
// 唤醒的代码还是比较简单的,你如果上面加锁的都看懂了,下面都不需要看就知道怎么回事了
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 往后看吧
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否完全释放锁
boolean free = false;
// 其实就是重入的问题,如果c==0,也就是说没有嵌套锁了,可以释放了,否则还不能释放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
/**
* Wakes up node's successor, if one exists.
*
* @param node the node
*/
// 唤醒后继节点
// 从上面调用处知道,参数node是head头结点
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
// 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
// 下面的代码就是唤醒后继节点,但是有可能后继节点取消了等待(waitStatus==1)
// 从队尾往前找,找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从后往前找,仔细看代码,不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
总结
总结一下吧。
在并发环境下,加锁和解锁需要以下三个部件的协调:
- 锁状态。我们要知道锁是不是被别的线程占有了,这个就是 state 的作用,它为 0 的时候代表没有线程占有锁,可以去争抢这个锁,用 CAS 将 state 设为 1,如果 CAS 成功,说明抢到了锁,这样其他线程就抢不到了,如果锁重入的话,state进行 +1 就可以,解锁就是减 1,直到 state 又变为 0,代表释放锁,所以 lock() 和 unlock() 必须要配对啊。然后唤醒等待队列中的第一个线程,让其来占有锁。
- 线程的阻塞和解除阻塞。AQS 中采用了
LockSupport.park(thread)
来挂起线程,用unpark
来唤醒线程。 - 阻塞队列。因为争抢锁的线程可能很多,但是只能有一个线程拿到锁,其他的线程都必须等待,这个时候就需要一个 queue 来管理这些线程,AQS 用的是一个 FIFO 的队列,就是一个链表,每个 node 都持有后继节点的引用。AQS 采用了 CLH 锁的变体来实现,感兴趣的读者可以参考这篇文章关于CLH的介绍,写得简单明了。