Java多线程（七）之同步器基础：AQS框架深入分析

一、什么是同步器

多线程并发的执行，之间通过某种 共享 状态来同步，只有当状态满足 xxxx 条件，才能触发线程执行 xxxx 。

这个共同的语义可以称之为同步器。可以认为以上所有的锁机制都可以基于同步器定制来实现的。

而juc(java.util.concurrent)里的思想是 将这些场景抽象出来的语义通过统一的同步框架来支持。

juc 里所有的这些锁机制都是基于 AQS （ AbstractQueuedSynchronizer ）框架上构建的。下面简单介绍下 AQS（ AbstractQueuedSynchronizer ）。 可以参考Doug Lea的论文The java.util.concurrent Synchronizer Framework

我们来看下java.util.concurrent.locks大致结构

上图中，LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上，为何图中没有用UML线表示呢，这是每个Lock实现类都持有自己内部类Sync的实例，而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync呢？这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。下文会举例说明不同同步器内的Sync与state实现。

二、AQS框架如何构建同步器

0、同步器的基本功能

一个同步器至少需要包含两个功能：

1.       获取同步状态

如果允许，则获取锁，如果不允许就阻塞线程，直到同步状态允许获取。

2.       释放同步状态

修改同步状态，并且唤醒等待线程。

根据作者论文， aqs 同步机制同时考虑了如下需求：

1.       独占锁和共享锁两种机制。

2.       线程阻塞后，如果需要取消，需要支持中断。

3.       线程阻塞后，如果有超时要求，应该支持超时后中断的机制。

1、同步状态的获取与释放

AQS实现了一个同步器的基本结构，下面以独占锁与共享锁分开讨论，来说明AQS怎样实现获取、释放同步状态。

1.1、独占模式

独占获取： tryAcquire 本身不会阻塞线程，如果返回 true 成功就继续，如果返回 false 那么就阻塞线程并加入阻塞队列。

1. public final void acquire(int arg) {

2.  

3. if (!tryAcquire(arg) &&

4.  

5. acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//获取失败，则加入等待队列

6.  

7. selfInterrupt();

8.  

9. }

独占且可中断模式获取：支持中断取消

1. public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {

2.  

3. if (Thread.interrupted())

4. throw new InterruptedException();

5. if (!tryAcquire(arg))

6.  

7. doAcquireInterruptibly(arg);

8.  

9. }

 

独占且支持超时模式获取： 带有超时时间，如果经过超时时间则会退出。

1. public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {

2.  

3. if (Thread.interrupted())

4.  

5. throw new InterruptedException();

6.  

7. return tryAcquire(arg) ||

8.  

9. doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);

独占模式释放：释放成功会唤醒后续节点

1. public final boolean release(int arg) {

2. if (tryRelease(arg)) {

3. Node h = head;

4. if (h != null && h.waitStatus != 0)

5. unparkSuccessor(h);

6. return true;

7. }

8. return false;

9. }

1.2、共享模式

共享模式获取

1. public final void acquireShared(int arg) {

2.  

3. if (tryAcquireShared(arg) < 0)

4.  

5. doAcquireShared(arg);

可中断模式共享获取

  

1. public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {

2. if (Thread.interrupted())

3. throw new InterruptedException();

4. if (tryAcquireShared(arg) < 0)

5. doAcquireSharedInterruptibly(arg);

6. }

  

共享模式带定时获取

1. public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {

2. if (Thread.interrupted())

3. throw new InterruptedException();

4. return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||

5. doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);

6. }

共享锁释放

1. public final boolean releaseShared(int arg) {

2. if (tryReleaseShared(arg)) {

3. doReleaseShared();

4. return true;

5. }

6. return false;

7. }

 

注意以上框架只定义了一个同步器的基本结构框架，的基本方法里依赖的 tryAcquire 、 tryRelease 、tryAcquireShared 、 tryReleaseShared 四个方法在 AQS 里没有实现，这四个方法不会涉及线程阻塞，而是由各自不同的使用场景根据情况来定制:

1. protected boolean tryAcquire(int arg) {

2. throw new UnsupportedOperationException();

3. }

4. protected boolean tryRelease(int arg) {

5. throw new UnsupportedOperationException();

6. }

7. protected int tryAcquireShared(int arg) {

8. throw new UnsupportedOperationException();

9.  

10. }

11. protected boolean tryReleaseShared(int arg) {

12. throw new UnsupportedOperationException();

13. }

从以上源码可以看出AQS实现基本的功能：

AQS虽然实现了acquire，和release方法是可能阻塞的，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的且是不阻塞的可。以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。

3、状态获取、释放成功或失败的后续行为：线程的阻塞、唤醒机制

有别于wait和notiry。这里利用 jdk1.5 开始提供的 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的本地方法实现，实现线程的阻塞和唤醒。

得到锁的线程禁用(park)和唤醒(unpark)，也是直接native实现（这几个native方法的实现代码在hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cpp文件中，但是关键代码park的最终实现是和操作系统相关的，比如windows下实现是在os_windows.cpp中，有兴趣的同学可以下载jdk源码查看）。唤醒一个被park()线程主要手段包括以下几种
1. 其他线程调用以被park()线程为参数的unpark(Thread thread).
2. 其他线程中断被park()线程,如waiters.peek().interrupt();waiters为存储线程对象的队列.
3. 不知原因的返回。

park()方法返回并不会报告到底是上诉哪种返回，所以返回好最好检查下线程状态，如

1. LockSupport.park(); //禁用当前线程

2. if(Thread.interrupted){

3. //doSomething

4. }

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）对于这点实现得相当巧妙，如下所示

1. private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throwsInterruptedException {

2. final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

3. try {

4. for (;;) {

5. final Node p = node.predecessor();

6. if (p == head) {

7. int r = tryAcquireShared(arg);

8. if (r >= 0) {

9. setHeadAndPropagate(node, r);

10. p.next = null; // help GC

11. return;

12. }

13. }

14. //parkAndCheckInterrupt()会返回park住的线程在被unpark后的线程状态，如果线程中断，跳出循环。

15. if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

16. parkAndCheckInterrupt())

17. break;

18. }

19. } catch (RuntimeException ex) {

20. cancelAcquire(node);

21. throw ex;

22. }

23.  

24. // 只有线程被interrupt后才会走到这里

25. cancelAcquire(node);

26. throw new InterruptedException();

27. }

28.  

29. //在park()住的线程被unpark()后，第一时间返回当前线程是否被打断

30. private final boolean parkAndCheckInterrupt() {

31. LockSupport.park(this);

32. return Thread.interrupted();

33. }

 

4、线程阻塞队列的维护

阻塞线程节点队列 CHL Node queue 。

根据论文里描述， AQS 里将阻塞线程封装到一个内部类 Node 里。并维护一个 CHL Node FIFO 队列。 CHL队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。实现无锁且快速的插入。关于非阻塞算法可以参考  Java 理论与实践: 非阻塞算法简介 。CHL队列对应代码如下：

1. /**

2. * CHL头节点

3. */

4. rivate transient volatile Node head;

5. /**

6. * CHL尾节点

7. */

8. private transient volatile Node tail;

  Node节点是对Thread的一个封装，结构大概如下：

1. static final class Node {

2. /** 代表线程已经被取消*/

3. static final int CANCELLED = 1;

4. /** 代表后续节点需要唤醒 */

5. static final int SIGNAL = -1;

6. /** 代表线程在等待某一条件/

7. static final int CONDITION = -2;

8. /** 标记是共享模式*/

9. static final Node SHARED = new Node();

10. /** 标记是独占模式*/

11. static final Node EXCLUSIVE = null;

12.  

13. /**

14. * 状态位 ，分别可以使CANCELLED、SINGNAL、CONDITION、0

15. */

16. volatile int waitStatus;

17.  

18. /**

19. * 前置节点

20. */

21. volatile Node prev;

22.  

23. /**

24. * 后续节点

25. */

26. volatile Node next;

27.  

28. /**

29. * 节点代表的线程

30. */

31. volatile Thread thread;

32.  

33. /**

34. *连接到等待condition的下一个节点

35. */

36. Node nextWaiter;

37.  

38. }

5、小结

从源码可以看出AQS实现基本的功能：

1.同步器基本范式、结构

2.线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

AQS虽然实现了acquire，和release方法，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的。可以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现

还有以下一些私有方法，用于辅助完成以上的功能：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) ：申请队列

private Node enq(final Node node) : 入队

private Node addWaiter(Node mode) ：以mode创建创建节点，并加入到队列

private void unparkSuccessor(Node node) ： 唤醒节点的后续节点，如果存在的话。

private void doReleaseShared() ：释放共享锁

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate)：设置头，并且如果是共享模式且propagate大于0，则唤醒后续节点。

private void cancelAcquire(Node node) ：取消正在获取的节点

private static void selfInterrupt() ：自我中断

private final boolean parkAndCheckInterrupt() ： park 并判断线程是否中断

三、AQS在各同步器内的Sync与State实现

1、什么是state机制：

提供 volatile 变量 state;  用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

1. /**

2. * 同步状态

3. */

4. private volatile int state;

5.  

6. /**

7. *cas

8. */

9. protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {

10. // See below for intrinsics setup to support this

11. return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);

12. }

 

2、不同实现类的Sync与State：

基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等，这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放，只是条件不一样而已。

2.1、ReentrantLock

需要记录当前线程获取原子状态的次数，如果次数为零，那么就说明这个线程放弃了锁（也有可能其他线程占据着锁从而需要等待），如果次数大于1，也就是获得了重进入的效果，而其他线程只能被park住，直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。

1. //公平获取锁

2. protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

3. final Thread current = Thread.currentThread();

4. int c = getState();

5. //如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁

6. if (c == 0) {

7. //如果是第一个等待者，并且设置重进入数成功，那么当前线程获得锁

8. if (isFirst(current) &&

9. compareAndSetState(0, acquires)) {

10. setExclusiveOwnerThread(current);

11. return true;

12. }

13. }

14. //如果当前线程本身就持有锁，那么叠加重进入数，并且继续获得锁

15. else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

16. int nextc = c + acquires;

17. if (nextc < 0)

18. throw new Error("Maximum lock count exceeded");

19. setState(nextc);

20. return true;

21. }

22. //以上条件都不满足，那么线程进入等待队列。

23. return false;

24. }

 

2.2、Semaphore

则是要记录当前还有多少次许可可以使用，到0，就需要等待，也就实现并发量的控制，Semaphore一开始设置许可数为1，实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现

1. protected int tryAcquireShared(int acquires) {

2. Thread current = Thread.currentThread();

3. for (;;) {

4. Thread first = getFirstQueuedThread();

5. //如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程，那么就返回-1表示当前线程需要等待

6. if (first != null && first != current)

7. return -1;

8. //如果当前队列没有等待者，或者当前线程就是等待队列第一个等待者，那么先取得semaphore还有几个许可证，并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值

9. int available = getState();

10. int remaining = available - acquires;

11. //如果remining<0，那么反馈给AQS当前线程需要等待，如果remaining>0，并且设置availble成功设置成剩余数，那么返回剩余值(>0)，也就告知AQS当前线程拿到许可，可以继续执行。

12. if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))

13. return remaining;

14. }

15. }

 

2.3、CountDownLatch

闭锁则要保持其状态，在这个状态到达终止态之前，所有线程都会被park住，闭锁可以设定初始值，这个值的含义就是这个闭锁需要被countDown()几次，因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话，那么这个闭锁需要被countDown()十次，才能够将这个初始值减到0，从而释放原子状态，让等待的所有线程通过。

1. //await时候执行，只查看当前需要countDown数量减为0了，如果为0，说明可以继续执行，否则需要park住，等待countDown次数足够，并且unpark所有等待线程

2. public int tryAcquireShared(int acquires) {

3. return getState() == 0? 1 : -1;

4. }

5.  

6. //countDown 时候执行，如果当前countDown数量为0，说明没有线程await，直接返回false而不需要唤醒park住线程，如果不为0，得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。

7. public boolean tryReleaseShared(int releases) {

8. for (;;) {

9. int c = getState();

10. if (c == 0)

11. return false;

12. int nextc = c-1;

13. if (compareAndSetState(c, nextc))

14. return nextc == 0;

15. }

16. }

 

2.4、FutureTask

需要记录任务的执行状态，当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法，即让具体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态，如果是RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法（与等待线程持相同的实例），设定执行结果，并且通过unpark唤醒正在等待的线程，返回结果。

1. //get时待用，只检查当前任务是否完成或者被Cancel，如果未完成并且没有被cancel，那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住

2. protected int tryAcquireShared(int ignore) {

3. return innerIsDone()? 1 : -1;

4. }

5.  

6. //判定任务是否完成或者被Cancel

7. boolean innerIsDone() {

8. return ranOrCancelled(getState()) && runner == null;

9. }

10.  

11. //get时调用，对于CANCEL与其他异常进行抛错

12. V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {

13. if (!tryAcquireSharedNanos(0,nanosTimeout))

14. throw new TimeoutException();

15. if (getState() == CANCELLED)

16. throw new CancellationException();

17. if (exception != null)

18. throw new ExecutionException(exception);

19. return result;

20. }

21.  

22. //任务的执行线程执行完毕调用（set(V v)）

23. void innerSet(V v) {

24. for (;;) {

25. int s = getState();

26. //如果线程任务已经执行完毕，那么直接返回（多线程执行任务？）

27. if (s == RAN)

28. return;

29. //如果被CANCEL了，那么释放等待线程，并且会抛错

30. if (s == CANCELLED) {

31. releaseShared(0);

32. return;

33. }

34. //如果成功设定任务状态为已完成，那么设定结果，unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作（一般由FutrueTask的子类实现）

35. if (compareAndSetState(s, RAN)) {

36. result = v;

37. releaseShared(0);

38. done();

39. return;

40. }

41. }

42. }

 

以上4个AQS的使用是比较典型，然而有个问题就是这些状态存在哪里呢？并且是可以计数的。从以上4个example,我们可以很快得到答案，AQS提供给了子类一个int state属性。并且暴露给子类getState()和setState()两个方法(protected)。这样就为上述状态解决了存储问题，RetrantLock可以将这个state用于存储当前线程的重进入次数，Semaphore可以用这个state存储许可数，CountDownLatch则可以存储需要被countDown的次数，而Future则可以存储当前任务的执行状态(RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer存储他们的一些状态。

AQS留给实现者的方法主要有5个方法，其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三个方法为需要独占形式获取的synchronizer实现的，比如线程独占ReetranLock的Sync，而tryAcquireShared和tryReleasedShared为需要共享形式获取的synchronizer实现。

ReentrantLock内部Sync类实现的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三个方法(因为获取锁的公平性问题，tryAcquire由继承该Sync类的内部类FairSync和NonfairSync实现)Semaphore内部类Sync则实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared(与CountDownLatch相似，因为公平性问题，tryAcquireShared由其内部类FairSync和NonfairSync实现)。CountDownLatch内部类Sync实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask内部类Sync也实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

参考内容来源：

【java并发】juc高级锁机制探讨
http://singleant.iteye.com/blog/1418580
Java并发同步器AQS(AbstractQueuedSynchronizer)学习笔记(1)
http://my.oschina.net/zavakid/blog/84882
Java并发同步器AQS(AbstractQueuedSynchronizer)学习笔记(2)
http://my.oschina.net/zavakid/blog/85008
JAVA LOCK代码浅析
http://rdc.taobao.com/team/jm/archives/414
java thread 之AQS
http://www.cnblogs.com/nod0620/archive/2012/07/23/2605504.html