一文搞懂AQS及其组件的核心原理

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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。
在这里插入图片描述

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)。
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。

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

在这里插入图片描述
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。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:
在这里插入图片描述
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。

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。

posted @ 2020-10-06 16:46  夜勿语  阅读(1758)  评论(0编辑  收藏