多线程&JVM&锁相关—深入学习java同步器AQS

介绍:

AQS(AbstractQueuedSynchronizer类)是一个用来构建锁和同步器的框架,它在内部定义了一个int state变量,用来表示同步状态.在LOCK包中的相关锁(常用的有ReentrantLock、 ReadWriteLock)都是基于AQS来构建.然而这些锁都没有直接来继承AQS,而是定义了一个Sync类去继承AQS.那么为什么要这样呢?because:锁面向的是使用用户,而同步器面向的则是线程控制,那么在锁的实现中聚合同步器而不是直接继承AQS就可以很好的隔离二者所关注的事情.

AQS是通过一个双向的FIFO 同步队列来完成同步状态的管理,当有线程获取锁失败后,就被添加到队列末尾,让我看一下这个队列

红色节点为头结点,可以把它当做正在持有锁的节点,

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
    static final class Node {...}
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private volatile int state;//同步状态

由上可知,它把head和tail设置为了volatile,这两个节点的修改将会被其他线程看到,事实上,我们也主要是通过修改这两个节点来完成入队和出队.接下来一起我们一起学习Node

static final class Node {
    //该等待同步的节点处于共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    //该等待同步的节点处于独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    //等待状态,这个和state是不一样的:有1,0,-1,-2,-3五个值
    volatile int waitStatus;
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;

    volatile Node prev;//前驱节点
    volatile Node next;//后继节点
    volatile Thread thread;//等待锁的线程
    //和节点是否共享有关
    Node nextWaiter;
    //Returns true if node is waiting in shared mode
    final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

下面解释下waitStatus五个的得含义:

• CANCELLED(1):该节点的线程可能由于超时或被中断而处于被取消(作废)状态,一旦处于这个状态,节点状态将一直处于CANCELLED(作废),因此应该从队列中移除.
• SIGNAL(-1):当前节点为SIGNAL时,后继节点会被挂起,因此在当前节点释放锁或被取消之后必须被唤醒(unparking)其后继结点.
• CONDITION(-2) 该节点的线程处于等待条件状态,不会被当作是同步队列上的节点,直到被唤醒(signal),设置其值为0,重新进入阻塞状态.
• 0:新加入的节点

在锁的获取时，并不一定只有一个线程才能持有这个锁（或者称为同步状态），所以此时有了独占模式和共享模式的区别，也就是在Node节点中由nextWait来标识。比如ReentrantLock就是一个独占锁，只能有一个线程获得锁，而WriteAndReadLock的读锁则能由多个线程同时获取，但它的写锁则只能由一个线程持有。这次先介绍独占模式下锁（或者称为同步状态）的获取与释放.这个类使用到了模板方法设计模式: 定义一个操作中算法的骨架，而将一些步骤的实现延迟到子类中。

1. 独占模式同步状态的获取

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

该方法首先尝试获取锁( tryAcquire(arg)的具体实现定义在了子类中),如果获取到,则执行完毕,否则通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)方法把当前节点添加到等待队列末尾,并设置为独占模式,

private Node addWaiter(Node mode) {
        //把当前线程包装为node,设为独占模式
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        //如果tail不为空,把node插入末尾
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //此时可能有其他线程插入,所以重新判断tail
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //此时可能有其他线程插入,所以重新判断tail是否为空
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

如果tail节点为空,执行enq(node);重新尝试,最终把node插入.在把node插入队列末尾后,它并不立即挂起该节点中线程,因为在插入它的过程中,前面的线程可能已经执行完成,所以它会先进行自旋操作acquireQueued(node, arg),尝试让该线程重新获取锁!当条件满足获取到了锁则可以从自旋过程中退出，否则继续。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //如果它的前继节点为头结点,尝试获取锁,获取成功则返回           
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

如果没获取到锁,则判断是否应该挂起,而这个判断则得通过它的前驱节点的waitStatus来确定:

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {       
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
return false;
}

如果前驱节点的waitStatus为:

• SIGNAL,则返回true表示应该挂起当前线程,挂起该线程,并等待被唤醒,被唤醒后进行中断检测,如果发现当前线程被中断，那么抛出InterruptedException并退出循环.
• >0,将前驱节点踢出队列,返回false
• <0,也是返回false,不过先将前驱节点waitStatus设置为SIGNAL,使得下次判断时,将当前节点挂起.

最后,我们对获取独占式锁过程对做个总结:

AQS的模板方法acquire通过调用子类自定义实现的tryAcquire获取同步状态失败后->将线程构造成Node节点(addWaiter)->将Node节点添加到同步队列对尾(addWaiter)->节点以自旋的方法获取同步状态(acquirQueued)。在节点自旋获取同步状态时，只有其前驱节点是头节点的时候才会尝试获取同步状态，如果该节点的前驱不是头节点或者该节点的前驱节点是头节点单获取同步状态失败，则判断当前线程需要阻塞，如果需要阻塞则需要被唤醒过后才返回。

2. 独占模式同步状态的释放

既然是释放,那肯定是持有锁的该线程执行释放操作,即head节点中的线程释放锁.

AQS中的release释放同步状态和acquire获取同步状态一样，都是模板方法，tryRelease释放的具体操作都有子类去实现，父类AQS只提供一个算法骨架。

public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
return true;
    }
return false;
}
/**如果node的后继节点不为空且不是作废状态,则唤醒这个后继节点,否则从末尾开始寻找合适的节点,如果找到,则唤醒*/
private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

过程:首先调用子类的tryRelease()方法释放锁,然后唤醒后继节点,在唤醒的过程中,需要判断后继节点是否满足情况,如果后继节点不为且不是作废状态,则唤醒这个后继节点,否则从tail节点向前寻找合适的节点,如果找到,则唤醒.

综上,我们已经描述完了独占锁的获取和释放,至于共享锁的操作,有时间会再聊,请持续关注!