title: AQS阻塞队列
date: 2018-01-15 12:50:17
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AQS,AbstractQueuedSynchronizer,即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架(如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等),JUC并发包的作者(Doug Lea)期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。它是JUC并发包中的核心基础组件。
AQS解决了子啊实现同步器时涉及当的大量细节问题,例如获取同步状态、FIFO同步队列。基于AQS来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作,而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。AQS的主要使用方式是继承,子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。
AQS的主要使用方式是继承,子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。
AQS使用一个int类型的成员变量state来表示同步状态,当state>0时表示已经获取了锁,当state = 0时表示释放了锁。它提供了三个方法(getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update))来对同步状态state进行操作,当然AQS可以确保对state的操作是安全的。
AQS通过内置的FIFO同步队列来完成资源获取线程的排队工作,如果当前线程获取同步状态失败(锁)时,AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,则会把节点中的线程唤醒,使其再次尝试获取同步状态。
AQS的一些主要方法:
- getState():返回同步状态的当前值;
- setState(int newState):设置当前同步状态;
- compareAndSetState(int expect, int update):使用CAS设置当前状态,该方法能够保证状态设置的原子性;
- tryAcquire(int arg):独占式获取同步状态,获取同步状态成功后,其他线程需要等待该线程释放同步状态才能获取同步状态;
- tryRelease(int arg):独占式释放同步状态;
- tryAcquireShared(int arg):共享式获取同步状态,返回值大于等于0则表示获取成功,否则获取失败;
- tryReleaseShared(int arg):共享式释放同步状态;
- isHeldExclusively():当前同步器是否在独占式模式下被线程占用,一般该方法表示是否被当前线程所独占;
- acquire(int arg):独占式获取同步状态,如果当前线程获取同步状态成功,则由该方法返回,否则,将会进入同步队列等待,该方法将会调用可重写的tryAcquire(int arg)方法;
- acquireInterruptibly(int arg):与acquire(int arg)相同,但是该方法响应中断,当前线程为获取到同步状态而进入到同步队列中,如果当前线程被中断,则该方法会抛出InterruptedException异常并返回;
- tryAcquireNanos(int arg,long nanos):超时获取同步状态,如果当前线程在nanos时间内没有获取到同步状态,那么将会返回false,已经获取则返回true;
- acquireShared(int arg):共享式获取同步状态,如果当前线程未获取到同步状态,将会进入同步队列等待,与独占式的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态;
- acquireSharedInterruptibly(int arg):共享式获取同步状态,响应中断;
- tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout):共享式获取同步状态,增加超时限制;
- release(int arg):独占式释放同步状态,该方法会在释放同步状态之后,将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒;
- releaseShared(int arg):共享式释放同步状态;
CLH阻塞队列
CLH同步队列是一个FIFO双向队列,AQS依赖它来完成同步状态的管理,当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。
在CLH同步队列中,一个节点表示一个线程,它保存着线程的引用(thread)、状态(waitStatus)、前驱节点(prev)、后继节点(next),定义:
AQS 内部类 Node的源码
static final class Node {
/** 共享 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 独占 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/**
* 因为超时或者中断,节点会被设置为取消状态,被取消的节点时不会参与到竞争中的,他会一直保持取消状态不会转变为其他状态;
*/
static final int CANCELLED = 1;
/**
* 后继节点的线程处于等待状态,而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点,使后继节点的线程得以运行
*/
static final int SIGNAL = -1;
/**
* 节点在等待队列中,节点线程等待在Condition上,当其他线程对Condition调用了signal()后,改节点将会从等待队列中转移到同步队列中,加入到同步状态的获取中
*/
static final int CONDITION = -2;
/**
* 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
*/
static final int PROPAGATE = -3;
/** 等待状态 */
volatile int waitStatus;
/** 前驱节点 */
volatile Node prev;
/** 后继节点 */
volatile Node next;
/** 获取同步状态的线程 */
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() {
}
Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
CLH入队
addWaiter()方法,增加等待线程
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
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;
//CAS
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 多次尝试
enq(node);
return node;
}
先通过快速尝试设置为节点,如果失败则通过enq(node)设置尾节点
private Node enq(final Node node) {
//多次尝试,直到成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//tail不存在,设置为首节点
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//设置为尾节点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
上述两个方法都是使用compareAndSetTail(t, node)
来死循环添加尾部节点,
CLH出队
CLH同步队列遵循FIFO,首节点的线程释放同步状态后,将会唤醒它的后继节点(next),而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点,这个过程非常简单,head执行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev即可,注意在这个过程是不需要使用CAS来保证的,因为只有一个线程能够成功获取到同步状态。
同步状态的获取与释放
AQS提供了大量的模板方法(被叫做模板模式)来实现同步,主要是分为三类:独占式获取和释放同步状态、共享式获取和释放同步状态、查询同步队列中的等待线程情况。自定义子类使用AQS提供的模板方法就可以实现自己的同步语义。
独占式
每次只有一个线程持有同步状态
独占式同步状态的获取
对中断状态不敏感
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
- tryAcquire:去尝试获取锁,获取成功则设置锁状态并返回true,否则返回false。该方法自定义同步组件自己实现,该方法必须要保证线程安全的获取同步状态。
- addWaiter:如果tryAcquire返回FALSE(获取同步状态失败),则调用该方法将当前线程加入到CLH同步队列尾部。
- acquireQueued:当前线程会根据公平性原则来进行阻塞等待(自旋),直到获取锁为止;并且返回当前线程在等待过程中有没有中断过。
- selfInterrupt:产生一个中断。
acquireQueued方法为一个自旋的过程,也就是说当前线程进入同步队列后,就会进入一个自旋的过程,每个节点都会自省地观察,当条件满足,获取到同步状态后,就可以从这个自旋过程中退出,否则会一直执行下去
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
//中断标志
boolean interrupted = false;
/*
* 自旋过程,其实就是一个死循环而已
*/
for (;;) {
//当前线程的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//当前线程的前驱节点是头结点,且同步状态成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//获取失败,线程等待
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
独占式获取响应中断
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}
如果当前线程被中断了,会立刻响应中断抛出异常InterruptedException。
doAcquireInterruptibly()
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
独占同步状态释放
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
```
先调用自定义同步器自定义的tryRelease(int arg)方法来释放同步状态,释放成功后,会调用unparkSuccessor(Node node)方法唤醒后继节点
`在AQS中维护着一个FIFO的同步队列,当线程获取同步状态失败后,则会加入到这个CLH同步队列的对尾并一直保持着自旋。在CLH同步队列中的线程在自旋时会判断其前驱节点是否为首节点,如果为首节点则不断尝试获取同步状态,获取成功则退出CLH同步队列。当线程执行完逻辑后,会释放同步状态,释放后会唤醒其后继节点。`
## 共享式
最主要区别在于同一时刻独占式只能有一个线程获取同步状态,而共享式在同一时刻可以有多个线程获取同步状态
### 共享获取状态
acquireShared(int arg)
```java
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
//获取失败,自旋获取同步状态
doAcquireShared(arg);
}
<div class="se-preview-section-delimiter"></div>
调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态,如果获取失败则调用doAcquireShared(int arg)自旋方式获取同步状态,共享式获取同步状态的标志是返回 >= 0 的值表示获取成功。
private void doAcquireShared(int arg) {
/共享式节点
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果其前驱节点,获取同步状态
if (p == head) {
//尝试获取同步
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
<div class="se-preview-section-delimiter"></div>
获得状态之后,完成自己的逻辑,就释放掉
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
<div class="se-preview-section-delimiter"></div>
AQS阻塞与唤醒
在线程获取同步状态时如果获取失败,则加入CLH同步队列,通过通过自旋的方式不断获取同步状态,但是在自旋的过程中则需要判断当前线程是否需要阻塞,主要方法在acquireQueued():
如果获取同步状态失败之后,不是立刻阻塞,而是检查前驱结点,是否需要阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//前驱节点
int ws = pred.waitStatus;
//状态为signal,表示当前线程处于等待状态,直接放回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
//前驱节点状态 > 0 ,则为Cancelled,表明该节点已经超时或者被中断了,需要从同步队列中取消
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
}
//前驱节点状态为Condition、propagate
else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
```
1. 前驱结点 Sinnal, 表明当前节点需要阻塞,
2. 前驱结点 cancelled(ws>0) 则表明该线程的前驱节点已经等待超时或者被中断了,则需要从CLH队列中将该前驱节点删除掉,直到回溯到前驱节点状态 <= 0 ,返回false
3. 前驱节点非SINNAL,非CANCELLED
<div class="se-preview-section-delimiter"></div>
```java
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
parkAndCheckInterrupt() 方法主要是把当前线程挂起
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
//当前节点状态
int ws = node.waitStatus;
//当前状态 < 0 则设置为 0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//当前节点的后继节点
Node s = node.next;
//后继节点为null或者其状态 > 0 (超时或者被中断了)
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
//从tail节点来找可用节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
//唤醒后继节点
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语
好像LockSupport底层还是依赖UNSAFE native类来搞得,