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每日热点:AQS源码学习
抽象队列同步器AQS
AQS介绍
AQS提供一套框架用于实现锁同步机制,其通过一个
FIFO
队列 维护线程的同步状态,实现类只需要继承AbstractQueuedSynchronizer
,并重写指定方法(tryAcquire()/tryRelease()等)即可实现线程同步机制。
AQS 继承结构
(资料图片仅供参考)
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable{ //...}
AbstractOwnableSynchronizer
该类提供基础方法实现独占资源与占有线程的关联
package java.util.concurrent.locks;public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L; protected AbstractOwnableSynchronizer() { } // 占有线程 private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 设置占有线程 protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; } // 获取占有线程 protected final Thread getExclusiveOwnerThread() { return exclusiveOwnerThread; }}
AQS原理
AQS维护一个CLH (Craig, Landin, and Hagersten) 双向队列,记录头指针
head
(头指针没有与之对应的线程) 和 尾指针tail
,同时维护了一个volatile int state
变量记录同步状态(初始状态默认为0,表示未被该资源未被占用)。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable{ private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L; // 队列头节点 private transient volatile Node head; // 队列尾节点 private transient volatile Node tail; // 同步状态 private volatile int state; // CAS 原子更新状态 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); }}
申请锁 -> lock() 执行过程
以
ReentrantLock
为例子,该锁默认实现是一个非公平独占锁。
public static void main(String[] args) { // 独占锁、默认非公平锁ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(); reentrantLock.lock();}// ReentrantLock.lock()public void lock() { sync.lock();}// NofairSync.lock()final void lock() { // CAS 获取锁 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else // 获取锁失败 acquire(1);}public final void acquire(int arg) { // tryAcquire: 尝试获取锁 // acquireQueued: 添加到阻塞队列 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt();}
tryAcquire
执行链: 尝试获取锁,获取不到则返回false
// NofairSync.tryAcquire()protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires);}// Sync.nofairTryAcquire()final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false;}
acquireQueued
执行链:
- 首先通过 addWaiter 方法将线程添加到队列尾部
- 然后通过 acquireQueued 方法实现线程进入CLH队列后如何被阻塞或者被唤醒获取锁
// AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter()// 添加 node 到等待队列尾部// 返回插入的节点 nodeprivate 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; } } // tail == null enq(node); return node;}// 线程进入等待队列之后,如何获取锁或者继续阻塞final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // 如果当前节点的前驱节点为 head,则竞争锁资源 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 当前节点的前驱节点不是 head, 或者竞争锁失败 // shouldParkAfterFailedAcquire: true, 调用 parkAndCheckInterrupt() 阻塞线程 // shouldParkAfterFailedAcquire: false, 再次进入循环块,竞争锁 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) // for循环意外退出才能走到这 cancelAcquire(node); }}/** * 判断当前线程是否需要阻塞 * 阻塞(return true): * 1.前驱节点的状态 pred.waitStatus=SIGNAL * 不阻塞(return false): * 1.前驱节点的状态为 CANCELLED,循环向前找 ws <= 0 的前驱节点 * 2.前驱节点的状态 ws = 0 || ws = PROPAGATE */private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; if (ws > 0) { /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don"t park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false;}
释放锁 -> unlock() 执行过程
同样以
ReentrantLock
为例子,该锁默认实现是一个非公平独占锁。
public static void main(String[] args) { // 独占锁、默认非公平锁ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(); reentrantLock.lock(); try { // 业务代码 } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { reentrantLock.unlock(); }}// ReentrantLock.unlock()public void unlock() { sync.release(1);}
release
执行链:
- 通过 tryRelease 方法判断当前锁是否已经被完全释放
- 如果已经被完全释放 -> 则唤醒其后继节点对应的线程
// AbstractQueuedSynchronizer.release()// tryRelease() 返回 true -> 则执行 if 中的逻辑 -> unparkSuccessor: 唤醒后继节点public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false;}// 释放锁,修改 state// free: true 锁已经完全释放,唤醒其他线程竞争// free: false 锁仍然被当前线程占有protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free;}
unparkSuccessor
: 唤醒后继节点
- 情况1:直接唤醒当前节点的后继节点
- 情况2: 情况1对应的节点状态为 CANCELLED,则从CLH队列尾部开始寻找 ws <= 0 的节点唤醒
/** * 唤醒后继节点 * * waitStatus: * CANCELLED(1) : 当前节点因超时或响应中断结束调度,进入该状态的节点不再变化 * SIGNAL(-1) : 后继节点等待当前节点唤醒 * CONDITION(-2) : 当前节点处于 condition 上,等待转移到CLH同步队列 * PROPAGETE(-3) : 当前节点处于 shared 状态 * 0 : 默认状态 */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; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 情况1:直接唤醒当前节点的后继节点 // 情况2: 情况1对应的节点状态为 CANCELLED,则从CLH队列尾部开始寻找 ws <= 0 的节点唤醒 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);}
FairSync && NofairSync
FairSync
: 以 ReentrantLock 的公平锁实现为例
static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; final void lock() { acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { // 判断 CLH 队列是否有正在等待的线程,如果有,则唤醒CLH 队列 head 的后继节点 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }}
NofairSync
: 以 ReentrantLock 的非公平锁实现为例
static final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L; /** * Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal * acquire on failure. */ final void lock() { // CAS 抢锁,如果恰巧没有线程占有,则直接获取锁返回 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else // 抢锁失败,则进入 acquire acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); }}final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { // 同样进行 CAS 抢锁,而不是判断 CLH 队列中是否有等待线程 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } // 抢锁失败,则进入 return false;}
所以,公平锁和非公平锁的区别总结如下:
- 非公平锁调用
lock()
方法,会马上进行一次 CAS 抢占锁 - 抢占锁失败后进入
tryAcquire()
方法,公平锁会去判断CLH等待队列是否有线程处于等待状态,如果有则不抢占锁;非公平锁则会直接进行 CAS 尝试抢占锁
[^]: 注:以上源代码阅读与分析,基于 Oracle JDK8 版本
关键词:
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