Java 中的 AQS 到底是什么?高级面试必问!

Java技术栈

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2020-10-14 06:06

Java技术栈

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作者:夜勿语
来源:www.cnblogs.com/yewy/p/13773799.html

前言

JDK1.5以前只有synchronized同步锁,并且效率非常低,因此大神Doug Lea自己写了一套并发框架,这套框架的核心就在于AbstractQueuedSynchronizer类(即AQS),性能非常高,所以被引入JDK包中,即JUC。

那么AQS是怎么实现的呢?

本篇就是对AQS及其相关组件进行分析,了解其原理,并领略大神的优美而又精简的代码。

AbstractQueuedSynchronizer

AQS是JUC下最核心的类,没有之一,所以我们先来分析一下这个类的数据结构。

AQS内部是使用了双向链表将等待线程链接起来,当发生并发竞争的时候,就会初始化该队列并让线程进入睡眠等待唤醒,同时每个节点会根据是否为共享锁标记状态为共享模式独占模式

这个数据结构需要好好理解并牢牢记住,下面分析的组件都将基于此实现。

Lock

Lock是一个接口,提供了加/解锁的通用API,JUC主要提供了两种锁,ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,前者是重入锁,实现Lock接口,后者是读写锁,本身并没有实现Lock接口,而是其内部类ReadLock或WriteLock实现了Lock接口。

先来看看Lock都提供了哪些接口:

// 普通加锁,不可打断;未获取到锁进入AQS阻塞  
void lock();  
  
// 可打断锁  
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  
  
// 尝试加锁,未获取到锁不阻塞,返回标识  
boolean tryLock();  
  
// 带超时时间的尝试加锁  
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  
  
// 解锁  
void unlock();  
  
// 创建一个条件队列  
Condition newCondition();  

看到这里读者们可以先思考下,自己如何来实现上面这些接口。

ReentrantLock

加锁

synchronizedReentrantLock都是可重入的,后者使用更加灵活,也提供了更多的高级特性,但其本质的实现原理是差不多的(据说synchronized是借鉴了ReentrantLock的实现原理)。

ReentrantLock提供了两个构造方法:

public ReentrantLock() {  
    sync = new NonfairSync();  
}  

public ReentrantLock(boolean fair) {  
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();  
}  

有参构造是根据参数创建公平锁非公平锁,而无参构造默认则是非公平锁,因为非公平锁性能非常高,并且大部分业务并不需要使用公平锁。

至于为什么非公平锁性能很高,咱们接着往下看。

非公平锁/公平锁

lock

非公平锁和公平锁在实现上基本一致,只有个别的地方不同,因此下面会采用对比分析方法进行分析。

从lock方法开始:

public void lock() {  
    sync.lock();  
}  

实际上是委托给了内部类Sync,该类实现了AQS(其它组件实现方法也基本上都是这个套路);由于有公平和非公平两种模式,因此该类又实现了两个子类:FairSyncNonfairSync

// 非公平锁  
final void lock() {  
    if (compareAndSetState(0, 1))  
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  
    else  
        acquire(1);  
}  

// 公平锁  
final void lock() {  
   acquire(1);  
}  

这里就是公平锁和非公平锁的第一个不同,非公平锁首先会调用CAS将state从0改为1,如果能改成功则表示获取到锁,直接将exclusiveOwnerThread设置为当前线程,不用再进行后续操作;否则则同公平锁一样调用acquire方法获取锁,这个是在AQS中实现的模板方法:

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

这里两种锁唯一不同的实现就是tryAcquire方法,先来看非公平锁的实现:

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) {  
        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;  
}  

state=0表示还没有被线程持有锁,直接通过CAS修改,能修改成功的就获取到锁,修改失败的线程先判断exclusiveOwnerThread是不是当前线程,是则state+1,表示重入次数+1并返回true,加锁成功,否则则返回false表示尝试加锁失败并调用acquireQueued入队。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
    final Thread current = Thread.currentThread();  
    int c = getState();  
    if (c == 0) {  
        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;  
}  

public final boolean hasQueuedPredecessors() {  
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order  
    Node h = head;  
    Node s;  
    // 首尾不相等且头结点线程不是当前线程则表示需要进入队列  
    return h != t &&  
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());  
}  

上面就是公平锁的尝试获取锁的代码,可以看到基本和非公平锁的代码是一样的,区别在于首次加锁需要判断是否已经有队列存在,没有才去加锁,有则直接返回false。

addWaiter

接着来看addWaiter方法,当尝试加锁失败时,首先就会调用该方法创建一个Node节点并添加到队列中去。

private Node addWaiter(Node mode) {  
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);  
    Node pred = tail;  
    // 尾节点不为null表示已经存在队列,直接将当前线程作为尾节点  
    if (pred != null) {  
        node.prev = pred;  
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {  
            pred.next = node;  
            return node;  
        }  
    }  
    // 尾结点不存在则表示还没有初始化队列,需要初始化队列  
    enq(node);  
    return node;  
}  

private Node enq(final Node node) {  
// 自旋  
    for (;;) {  
        Node t = tail;  
        if (t == null) { // 只会有一个线程设置头节点成功   
            if (compareAndSetHead(new Node()))  
                tail = head;  
        } else { // 其它设置头节点失败的都会自旋设置尾节点  
            node.prev = t;  
            if (compareAndSetTail(t, node)) {  
                t.next = node;  
                return t;  
            }  
        }  
    }  
}  

这里首先传入了一个独占模式的空节点,并根据该节点和当前线程创建了一个Node,然后判断是否已经存在队列,若存在则直接入队,否则调用enq方法初始化队列,提高效率。

此处还有一个非常细节的地方,为什么设置尾节点时都要先将之前的尾节点设置为node.pre的值呢,而不是在CAS之后再设置?

比如像下面这样:

if (compareAndSetTail(pred, node)) {  
 node.prev = pred;  
    pred.next = node;  
    return node;  
}  

因为如果这样做的话,在CAS设置完tail后会存在一瞬间的tail.pre=null的情况,而Doug Lea正是考虑到这种情况,不论何时获取tail.pre都不会为null。

acquireQueued

接着看acquireQueued方法:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {  
 // 为true表示存在需要取消加锁的节点,仅从这段代码可以看出,  
 // 除非发生异常,否则不会存在需要取消加锁的节点。  
    boolean failed = true;  
    try {  
     // 打断标记,因为调用的是lock方法,所以是不可打断的  
     // (但实际上是打断了的,只不过这里采用了一种**静默**处理方式,稍后分析)  
        boolean interrupted = false;  
        for (;;) {  
            final Node p = node.predecessor();  
            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);  
    }  
}  

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;  
}  

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {  
    LockSupport.park(this);  
    return Thread.interrupted();  
}  

这里就是队列中线程加锁/睡眠的核心逻辑,首先判断刚刚调用addWaiter方法添加到队列的节点是否是头节点,如果是则再次尝试加锁,这个刚刚分析过了,非公平锁在这里就会再次抢一次锁,抢锁成功则设置为head节点并返回打断标记;否则则和公平锁一样调用shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该调用park方法进入睡眠。

park细节

为什么在park前需要这么一个判断呢?因为当前节点的线程进入park后只能被前一个节点唤醒,那前一个节点怎么知道有没有后继节点需要唤醒呢?

因此当前节点在park前需要给前一个节点设置一个标识,即将waitStatus设置为Node.SIGNAL(-1),然后自旋一次再走一遍刚刚的流程,若还是没有获取到锁,则调用parkAndCheckInterrupt进入睡眠状态。

打断

读者可能会比较好奇Thread.interrupted这个方法是做什么用的。

public static boolean interrupted() {  
    return currentThread().isInterrupted(true);  
}

这个是用来判断当前线程是否被打断过,并清除打断标记(若是被打断过则会返回true,并将打断标记设置为false),所以调用lock方法时,通过interrupt也是会打断睡眠的线程的,只是Doug Lea做了一个假象,让用户无感知。

但有些场景又需要知道该线程是否被打断过,所以acquireQueued最终会返回interrupted打断标记,如果是被打断过,则返回的true,并在acquire方法中调用selfInterrupt再次打断当前线程(将打断标记设置为true)。

推荐阅读:一文搞懂 Java 线程中断

这里我们对比看看lockInterruptibly的实现:

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {  
    sync.acquireInterruptibly(1);  
}  

public final void acquireInterruptibly(int arg)  
        throws InterruptedException {  
    if (Thread.interrupted())  
        throw new InterruptedException();  
    if (!tryAcquire(arg))  
        doAcquireInterruptibly(arg);  
}  

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);  
    }  
}  

可以看到区别就在于使用lockInterruptibly加锁被打断后,是直接抛出InterruptedException异常,我们可以捕获这个异常进行相应的处理。

推荐阅读:Java 异常处理的 10 个良心建议

取消

最后来看看cancelAcquire是如何取消加锁的,该情况比较特殊,简单了解下即可:

private void cancelAcquire(Node node) {  
    if (node == null)  
        return;  

// 首先将线程置空  
    node.thread = null;  

// waitStatus > 0表示节点处于取消状态,则直接将当前节点的pre指向在此之前的最后一个有效节点  
    Node pred = node.prev;  
    while (pred.waitStatus > 0)  
        node.prev = pred = pred.prev;  

// 保存前一个节点的下一个节点,如果在此之前存在取消节点,这里就是之前取消被取消节点的头节点  
    Node predNext = pred.next;  

    node.waitStatus = Node.CANCELLED;  

// 当前节点是tail节点,则替换尾节点,替换成功则将新的尾结点的下一个节点设置为null;  
// 否则需要判断是将当前节点的下一个节点赋值给最后一个有效节点,还是唤醒下一个节点。  
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {  
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);  
    } else {  
        int ws;  
        if (pred != head &&  
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||  
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&  
            pred.thread != null) {  
            Node next = node.next;  
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)  
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);  
        } else {  
            unparkSuccessor(node);  
        }  

        node.next = node; // help GC  
    }  
}  

解锁

public void unlock() {  
    sync.release(1);  
}  

public final boolean release(int arg) {  
    if (tryRelease(arg)) {  
        Node h = head;  
        if (h != null && h.waitStatus != 0)  
            unparkSuccessor(h);  
        return true;  
    }  
    return false;  
}  

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;  
}  

private void unparkSuccessor(Node node) {  
    int ws = node.waitStatus;  
    if (ws < 0)  
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);  

    Node s = node.next;  
    // 并发情况下,可能已经被其它线程唤醒或已经取消,则从后向前找到最后一个有效节点并唤醒  
    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);  
}  

解锁就比较简单了,先调用tryReleasestate执行减一操作,如果state==0,则表示完全释放锁;若果存在后继节点,则调用unparkSuccessor唤醒后继节点,唤醒后的节点的waitStatus会重新被设置为0。

只是这里有一个小细节,为什么是从后向前找呢?因为我们在开始说过,设置尾节点保证了node.pre不会为null,但pre.next仍有可能是null,所以这里只能从后向前找到最后一个有效节点。

小结

上面是ReentrantLock的加锁流程,可以看到整个流程不算复杂,只是判断和跳转比较多,主要是Doug Lea将代码和性能都优化到了极致,代码非常精简,但细节却非常多。

这篇《到底什么是重入锁,一次搞清楚!推荐看下,关注公众号Java技术栈回复java获取更多Java及多线程教程。

另外通过上面的分析,我们也可以发现,公平锁和非公平锁的区别就在于非公平锁不管是否有线程在排队,先抢三次锁,而公平锁则会判断是否存在队列,有线程在排队则直接进入队列排队;另外线程在park被唤醒后非公平锁还会抢锁,公平锁仍然需要排队,所以非公平锁的性能比公平锁高很多,大部分情况下我们使用非公平锁即可。

ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock是一把独占锁,只支持重入,不支持共享,所以JUC包下还提供了读写锁,这把锁支持读读并发,但读写、写写都是互斥的。

读写锁也是基于AQS实现的,也包含了一个继承自AQS的内部类Sync,同样也有公平和非公平两种模式,下面主要讨论非公平模式下的读写锁实现。

读写锁实现相对比较复杂,在ReentrantLock中就是使用的int型的state属性来表示锁被某个线程占有和重入次数,而ReentrantReadWriteLock分为了读和写两种锁,要怎么用一个字段表示两种锁的状态呢?

Doug Lea大师将state字段分为了高二字节和低二字节,即高16位用来表示读锁状态,低16位则用来表示写锁,如下图:

因为读写锁状态都只用了两个字节,所以可重入的次数最多是65535,当然正常情况下重入是不可能达到这么多的。

那它是怎么实现的呢?还是先从构造方法开始:

public ReentrantReadWriteLock() {  
    this(false);  
}  

public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {  
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();  
    readerLock = new ReadLock(this);  
    writerLock = new WriteLock(this);  
}  

同样默认就是非公平锁,同时还创建了readerLockwriterLock两个对象,我们只需要像下面这样就能获取到读写锁:

private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();  
private static Lock r = lock.readLock();  
private static Lock w = lock.writeLock();  

写锁

由于写锁的加锁过程相对更简单,下面先从写锁加锁开始分析,入口在ReentrantReadWriteLock#WriteLock.lock()方法,点进去看,发现还是使用的AQS中的acquire方法:

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

所以不同的地方也只有tryAcquire方法,我们重点分析这个方法就行:

static final int SHARED_SHIFT   = 16;  
// 65535  
static final int MAX\_COUNT      = (1 << SHARED\_SHIFT) - 1;  
// 低16位是1111....1111  
static final int EXCLUSIVE\_MASK = (1 << SHARED\_SHIFT) - 1;  
// 得到c低16位的值  
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }  

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
    Thread current = Thread.currentThread();  
    int c = getState();  
    // 获取写锁加锁和重入的次数  
    int w = exclusiveCount(c);  
    if (c != 0) { // 已经有线程持有锁  
     // 这里有两种情况:1. c!=0 && w==0表示有线程获取了读锁,不论是否是当前线程,直接返回false,  
     // 也就是说读-写锁是不支持升级重入的(但支持写-读降级),原因后文会详细分析;  
     // 2. c!=0 && w!=0 && current != getExclusiveOwnerThread()表示有其它线程持有了写锁,写写互斥  
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())  
            return false;  

// 超出65535,抛异常  
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)  
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");  
        // 否则写锁的次数直接加1  
        setState(c + acquires);  
        return true;  
    }  

// c==0才会走到这,但这时存在两种情况,有队列和无队列,所以公平锁和非公平锁处理不同,  
// 前者需要判断是否存在队列,有则尝试加锁失败,无则加锁成功,而非公平锁直接使用CAS加锁即可  
    if (writerShouldBlock() ||  
        !compareAndSetState(c, c + acquires))  
        return false;  
    setExclusiveOwnerThread(current);  
    return true;  
}  
 
 
 

写锁尝试加锁的过程就分析完了,其余的部分上文已经讲过,这里不再赘述。

读锁

public void lock() {  
    sync.acquireShared(1);  
}  

public final void acquireShared(int arg) {  
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)  
        doAcquireShared(arg);  
}   

读锁在加锁开始就和其它锁不同,调用的是acquireShared方法,意为获取共享锁。

static final int SHARED\_UNIT    = (1 << SHARED\_SHIFT);  
// 右移16位得到读锁状态的值  
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }  

protected final int tryAcquireShared(int unused) {  
     Thread current = Thread.currentThread();  
     int c = getState();  
     // 为什么读写互斥?因为读锁一上来就判断了是否有其它线程持有了写锁(当前线程持有写锁再获取读锁是可以的)  
     if (exclusiveCount(c) != 0 &&  
         getExclusiveOwnerThread() != current)  
         return -1;  
     int r = sharedCount(c);  
     // 公平锁判断是否存在队列,非公平锁判断第一个节点是不是EXCLUSIVE模式,是的话会返回true  
     // 返回false则需要判断读锁加锁次数是否超过65535,没有则使用CAS给读锁+1  
     if (!readerShouldBlock() &&  
         r < MAX_COUNT &&  
         compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {  
         if (r == 0) {  
          // 第一个读锁线程就是当前线程  
             firstReader = current;  
             firstReaderHoldCount = 1;  
         } else if (firstReader == current) {  
          // 记录读锁的重入  
             firstReaderHoldCount++;  
         } else {  
          // 获取最后一次加读锁的重入次数记录器HoldCounter  
             HoldCounter rh = cachedHoldCounter;  
             if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))  
              // 当前线程第一次重入需要初始化,以及当前线程和缓存的最后一次记录器的线程id不同,需要从ThreadLocalHoldCounter拿到对应的记录器  
                 cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();  
             else if (rh.count == 0)  
              // 缓存到ThreadLocal  
                 readHolds.set(rh);  
             rh.count++;  
         }  
         return 1;  
     }  
     return fullTryAcquireShared(current);  
}  

这段代码有点复杂,首先需要保证读写互斥,然后进行初次加锁,若加锁失败就会调用fullTryAcquireShared方法进行兜底处理。在初次加锁中与写锁不同的是,写锁的state可以直接用来记录写锁的重入次数,因为写写互斥,但读锁是共享的,state用来记录读锁的加锁次数了,重入次数该怎么记录呢?

重入是指同一线程,那么是不是可以使用ThreadLocl来保存呢?没错,Doug Lea就是这么处理的,新增了一个HoldCounter类,这个类只有线程id和重入次数两个字段,当线程重入的时候就会初始化这个类并保存在ThreadLocalHoldCounter类中,这个类就是继承ThreadLocl的,用来初始化HoldCounter对象并保存。

这里还有个小细节,为什么要使用cachedHoldCounter缓存最后一次加读锁的HoldCounter

因为大部分情况下,重入和释放锁的线程很有可能就是最后一次加锁的线程,所以这样做能够提高加解锁的效率,Doug Lea真是把性能优化到了极致。

上面只是初次加锁,有可能会加锁失败,就会进入到fullTryAcquireShared方法:

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {  
    HoldCounter rh = null;  
    for (;;) {  
        int c = getState();  
        if (exclusiveCount(c) != 0) {  
            if (getExclusiveOwnerThread() != current)  
                return -1;  
        } else if (readerShouldBlock()) {  
            if (firstReader == current) {  
                // assert firstReaderHoldCount > 0;  
            } else {  
                if (rh == null) {  
                    rh = cachedHoldCounter;  
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {  
                        rh = readHolds.get();  
                        if (rh.count == 0)  
                            readHolds.remove();  
                    }  
                }  
                if (rh.count == 0)  
                    return -1;  
            }  
        }  
        if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)  
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");  
        if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {  
            if (sharedCount(c) == 0) {  
                firstReader = current;  
                firstReaderHoldCount = 1;  
            } else if (firstReader == current) {  
                firstReaderHoldCount++;  
            } else {  
                if (rh == null)  
                    rh = cachedHoldCounter;  
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))  
                    rh = readHolds.get();  
                else if (rh.count == 0)  
                    readHolds.set(rh);  
                rh.count++;  
                cachedHoldCounter = rh; // cache for release  
            }  
            return 1;  
        }  
    }  
}  

这个方法中代码和tryAcquireShared基本上一致,只是采用了自旋的方式,处理初次加锁中的漏网之鱼,读者们可自行阅读分析。

上面两个方法若返回大于0则表示加锁成功,小于0则会调用doAcquireShared方法,这个就和之前分析的acquireQueued差不多了:

private void doAcquireShared(int arg) {  
 // 先添加一个SHARED类型的节点到队列  
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);  
    boolean failed = true;  
    try {  
        boolean interrupted = false;  
        for (;;) {  
            final Node p = node.predecessor();  
            if (p == head) {  
             // 再次尝试加读锁  
                int r = tryAcquireShared(arg);  
                if (r >= 0) {  
                 // 设置head节点以及传播唤醒后面的读线程  
                    setHeadAndPropagate(node, r);  
                    p.next = null; // help GC  
                    if (interrupted)  
                        selfInterrupt();  
                    failed = false;  
                    return;  
                }  
            }  
            // 只有前一个节点的waitStatus=-1时才会park,=0或者-3(先不考虑-2和1的情况)都会设置为-1后再次自旋尝试加锁,若还是加锁失败就会park  
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&  
                parkAndCheckInterrupt())  
                interrupted = true;  
        }  
    } finally {  
        if (failed)  
            cancelAcquire(node);  
    }  
}  

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {  
 // 设置头节点  
    Node h = head; // Record old head for check below  
    setHead(node);  

    // propagate是tryAcquireShared的返回值,当前线程加锁成功还要去唤醒后继的共享节点  
    // (其余的判断比较复杂,笔者也还未想明白,知道的读者可以指点一下)  
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||  
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {  
        Node s = node.next;  
        // 判断后继节点是否是共享节点  
        if (s == null || s.isShared())  
            doReleaseShared();  
    }  
}  

private void doReleaseShared() {  
    for (;;) {  
        Node h = head;  
        // 存在后继节点  
        if (h != null && h != tail) {  
            int ws = h.waitStatus;  
            if (ws == Node.SIGNAL) {  
             // 当前一个节点加锁成功后自然需要将-1改回0,并唤醒后继线程,同时自旋将0改为-2让唤醒传播下去  
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))  
                    continue;          
                unparkSuccessor(h);  
            }  
            // 设置头节点的waitStatus=-2,使得唤醒可以传播下去  
            else if (ws == 0 &&  
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))  
                continue;               
        }  
        if (h == head)            
            break;  
    }  
}  

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;  
}  

这里的逻辑也非常的绕,当多个线程同时调用addWaiter添加到队列中后,并且假设这些节点的第一个节点的前一个节点就是head节点,那么第一个节点就能加锁成功(假设都是SHARED节点),其余的节点在第一个节点设置头节点之前都会进入shouldParkAfterFailedAcquire方法,这时候waitStatus都等于0,所以继续自旋不会park,若再次加锁还失败就会park(因为这时候waitStatus=-1),但都是读线程的情况下一般都不会出现,因为setHeadAndPropagate第一步就是修改head,所以其余SHARED节点最终都能加锁成功并一直将唤醒传播下去。

以上就是读写锁加锁过程,解锁比较简单,这里就不详细分析了。

小结

读写锁将state分为了高二字节和低二字节,分别存储读锁和写锁的状态,实现更为的复杂,在使用上还有几点需要注意:

  • 读读共享,但是在读中间穿插了写的话,后面的读都会被阻塞,直到前面的写释放锁后,后面的读才会共享,相关原理看完前文不难理解。

  • 读写锁只支持降级重入,不支持升级重入。因为如果支持升级重入的话,是会出现死锁的。如下面这段代码:

private static void rw() {  
    r.lock();  
    try {  
        log.info("获取到读锁");  
        w.lock();  
        try {  
            log.info("获取到写锁");  
        } finally {  
            w.unlock();  
        }  
    } finally {  
        r.unlock();  
    }  
}  

多个线程访问都能获取到读锁,但读写互斥,彼此都要等待对方的读锁释放才能获取到写锁,这就造成了死锁。

ReentrantReadWriteLock在某些场景下性能上不算高,因此Doug Lea在JDK1.8的时候又提供了一把高性能的读写锁StampedLock,前者读写锁都是悲观锁,而后者提供了新的模式——乐观锁,但它不是基于AQS实现的,本文不进行分析。

Condition

Lock接口中还有一个方法newCondition,这个方法就是创建一个条件队列:

public Condition newCondition() {  
    return sync.newCondition();  
}  

final ConditionObject newCondition() {  
    return new ConditionObject();  
}  

所谓条件队列就是创建一个新的ConditionObject对象,这个对象的数据结构在开篇就看过了,包含两个节点字段,每当调用Condition#await方法时就会在对应的Condition对象中排队等待:

public final void await() throws InterruptedException {  
    if (Thread.interrupted())  
        throw new InterruptedException();  
    // 加入条件队列  
    Node node = addConditionWaiter();  
    // 因为Condition.await必须配合Lock.lock使用,所以await时就是将已获得锁的线程全部释放掉  
    int savedState = fullyRelease(node);  
    int interruptMode = 0;  
    // 判断是在同步队列还是条件队列,后者则直接park  
    while (!isOnSyncQueue(node)) {  
        LockSupport.park(this);  
        // 获取打断处理方式(抛出异常或重设标记)  
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)  
            break;  
    }  
    // 调用aqs的方法  
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)  
        interruptMode = REINTERRUPT;  
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled  
     // 清除掉已经进入同步队列的节点  
        unlinkCancelledWaiters();  
    if (interruptMode != 0)  
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);  
}  

private Node addConditionWaiter() {  
    Node t = lastWaiter;  
    // 清除状态为取消的节点  
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {  
        unlinkCancelledWaiters();  
        t = lastWaiter;  
    }  

// 创建一个CONDITION状态的节点并添加到队列末尾  
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);  
    if (t == null)  
        firstWaiter = node;  
    else  
        t.nextWaiter = node;  
    lastWaiter = node;  
    return node;  
}  

await方法实现比较简单,大部分代码都是上文分析过的,这里不再重复。接着来看signal方法:

public final void signal() {  
    if (!isHeldExclusively())  
        throw new IllegalMonitorStateException();  
    // 从条件队列第一个节点开始唤醒  
    Node first = firstWaiter;  
    if (first != null)  
        doSignal(first);  
}  

private void doSignal(Node first) {  
    do {  
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)  
            lastWaiter = null;  
        first.nextWaiter = null;  
    } while (!transferForSignal(first) &&  
             (first = firstWaiter) != null);  
}  

final boolean transferForSignal(Node node) {  
 // 修改waitStatus状态,如果修改失败,则说明该节点已经从条件队列转移到了同步队列  
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))  
        return false;  

// 上面修改成功,则将该节点添加到同步队列末尾,并返回之前的尾结点  
    Node p = enq(node);  
    int ws = p.waitStatus;  
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))  
     // unpark当前线程,结合await方法看  
        LockSupport.unpark(node.thread);  
    return true;  
}   

signal的逻辑也比较简单,就是唤醒条件队列中的第一个节点,主要是要结合await的代码一起理解。

其它组件

上文分析的锁都是用来实现并发安全控制的,而对于多线程协作JUC又基于AQS提供了CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等组件,下面一一分析。

CountDownLatch

CountDownLatch在创建的时候就需要指定一个计数:

CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);  

然后在需要等待的地方调用countDownLatch.await()方法,然后在其它线程完成任务后调用countDownLatch.countDown()方法,每调用一次该计数就会减一,直到计数为0时,await的地方就会自动唤醒,继续后面的工作,所以CountDownLatch适用于一个线程等待多个线程的场景,那它是怎么实现的呢?

读者们可以结合上文自己先思考下。

public CountDownLatch(int count) {  
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");  
    this.sync = new Sync(count);  
}  

Sync(int count) {  
    setState(count);  
}  

与前面讲的锁一样,也有一个内部类Sync继承自AQS,并且在构造时就将传入的计数设置到了state属性,看到这里不难猜到CountDownLatch的实现原理了。

public void await() throws InterruptedException {  
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);  
}  

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)  
        throws InterruptedException {  
    if (Thread.interrupted())  
        throw new InterruptedException();  
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)  
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);  
}  

protected int tryAcquireShared(int acquires) {  
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;  
}  
 

在await方法中使用的是可打断的方式获取的共享锁,同样除了tryAcquireShared方法,其余的都是复用的之前分析过的代码,而tryAcquireShared就是判断state是否等于0,不等于就阻塞。

public void countDown() {  
    sync.releaseShared(1);  
}  

public final boolean releaseShared(int arg) {  
    if (tryReleaseShared(arg)) {  
        doReleaseShared();  
        return true;  
    }  
    return false;  
}  

protected boolean tryReleaseShared(int releases) {  
    for (;;) {  
        int c = getState();  
        if (c == 0)  
            return false;  
        int nextc = c-1;  
        if (compareAndSetState(c, nextc))  
            return nextc == 0;  
    }  
}  

而调用countDown就更简单了,每次对state递减,直到为0时才会调用doReleaseShared释放阻塞的线程。

最后需要注意的是CountDownLatch的计数是不支持重置的,每次使用都要新建一个。这篇倒计时器CountDownLatch》舍得看一下

CyclicBarrier

CyclicBarrier和CountDownLatch使用差不多,不过它只有await方法。CyclicBarrier在创建时同样需要指定一个计数,当调用await的次数达到计数时,所有线程就会同时唤醒,相当于设置了一个“起跑线”,需要等所有运动员都到达这个“起跑线”后才能一起开跑。

另外它还支持重置计数,提供了reset方法。

public CyclicBarrier(int parties) {  
    this(parties, null);  
}  

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {  
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();  
    this.parties = parties;  
    this.count = parties;  
    this.barrierCommand = barrierAction;  
}  

CyclicBarrier提供了两个构造方法,我们可以传入一个Runnable类型的回调函数,当达到计数时,由最后一个调用await的线程触发执行。

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {  
    try {  
        return dowait(false, 0L);  
    } catch (TimeoutException toe) {  
        throw new Error(toe); // cannot happen  
    }  
}  

private int dowait(boolean timed, long nanos)  
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,  
           TimeoutException {  
    final ReentrantLock lock = this.lock;  
    lock.lock();  
    try {  
        final Generation g = generation;  

        if (g.broken)  
            throw new BrokenBarrierException();  

// 是否打断,打断会唤醒所有条件队列中的线程  
        if (Thread.interrupted()) {  
            breakBarrier();  
            throw new InterruptedException();  
        }  

// 计数为0时,唤醒条件队列中的所有线程  
        int index = --count;  
        if (index == 0) {  // tripped  
            boolean ranAction = false;  
            try {  
                final Runnable command = barrierCommand;  
                if (command != null)  
                    command.run();  
                ranAction = true;  
                nextGeneration();  
                return 0;  
            } finally {  
                if (!ranAction)  
                    breakBarrier();  
            }  
        }  

        for (;;) {  
            try {  
             // 不带超时时间直接进入条件队列等待  
                if (!timed)  
                    trip.await();  
                else if (nanos > 0L)  
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);  
            } catch (InterruptedException ie) {  
                if (g == generation && ! g.broken) {  
                    breakBarrier();  
                    throw ie;  
                } else {  
                    Thread.currentThread().interrupt();  
                }  
            }  

            if (g.broken)  
                throw new BrokenBarrierException();  

            if (g != generation)  
                return index;  

            if (timed && nanos <= 0L) {  
                breakBarrier();  
                throw new TimeoutException();  
            }  
        }  
    } finally {  
        lock.unlock();  
    }  
}  

private void nextGeneration() {  
    // signal completion of last generation  
    trip.signalAll();  
    // set up next generation  
    count = parties;  
    generation = new Generation();  
}  

这里逻辑比较清晰,就是使用了ReentrantLock以及Condition来实现。在构造方法中我们可以看到保存了两个变量count和parties,每次调用await都会对count变量递减,count不为0时都会进入到trip条件队列中等待,否则就会通过signalAll方法唤醒所有的线程,并将parties重新赋值给count。

reset方法很简单,这里不详细分析了。

Semaphore

Semaphore是信号的意思,或者说许可,可以用来控制最大并发量。初始定义好有几个信号,然后在需要获取信号的地方调用acquire方法,执行完成后,需要调用release方法回收信号。

public Semaphore(int permits) {  
    sync = new NonfairSync(permits);  
}  

public Semaphore(int permits, boolean fair) {  
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);  
}  

它也有两个构造方法,可以指定公平或是非公平,而permits就是state的值。

public void acquire() throws InterruptedException {  
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);  
}  

// 非公平方式  
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {  
    for (;;) {  
        int available = getState();  
        int remaining = available - acquires;  
        if (remaining < 0 ||  
            compareAndSetState(available, remaining))  
            return remaining;  
    }  
}  

// 公平方式  
protected int tryAcquireShared(int acquires) {  
    for (;;) {  
        if (hasQueuedPredecessors())  
            return -1;  
        int available = getState();  
        int remaining = available - acquires;  
        if (remaining < 0 ||  
            compareAndSetState(available, remaining))  
            return remaining;  
    }  
}  

acquire方法和CountDownLatch是一样的,只是tryAcquireShared区分了公平和非公平方式。获取到信号相当于加共享锁成功,否则则进入队列阻塞等待;而release方法和读锁解锁方式也是一样的,只是每次release都会将state+1。

总结

本文详细分析了AQS的核心原理、锁的实现以及常用的相关组件,掌握其原理能让我们准确的使用JUC下面的锁以及线程协作组件。

另外AQS代码设计是非常精良的,有非常多的细节,精简的代码中把所有的情况都考虑到了,细细体味对我们自身编码能力也会有很大的提高。

文章错误和不清楚的地方欢迎批评指出,另外超时相关的API本文都未涉及到,读者可自行分析。





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