Java并发之AQS详解

x33g5p2x  于2021-08-13 转载在 Java  
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一、概述

谈到并发,不得不谈ReentrantLock;而谈到ReentrantLock,不得不谈AbstractQueuedSynchronizer(AQS)!

类如其名,抽象的队列式的同步器,AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,许多同步类实现都依赖于它,如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

以下是本文的目录大纲:

  1. 概述
  2. 框架
  3. 源码详解
  4. 简单应用

若有不正之处,请谅解和批评指正,不胜感激。

请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接(原文持续更新,建议阅读原文):http://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html

二、框架

它维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。这里volatile是核心关键词,具体volatile的语义,在此不述。state的访问方式有三种:

  • getState()
  • setState()
  • compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:

  • isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
  • tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
  • tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
  • tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
  • tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。

以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock。

三、源码详解

本节开始讲解AQS的源码实现。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来。

3.0 结点状态waitStatus

      这里我们说下Node。Node结点是对每一个等待获取资源的线程的封装,其包含了需要同步的线程本身及其等待状态,如是否被阻塞、是否等待唤醒、是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前Node结点的等待状态,共有5种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

CANCELLED(1):表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断(响应中断的情况下),会触发变更为此状态,进入该状态后的结点将不会再变化。
*
SIGNAL(-1):表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时,会将前继结点的状态更新为SIGNAL。
*
CONDITION(-2):表示结点等待在Condition上,当其他线程调用了Condition的signal()方法后,CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中,等待获取同步锁。
*
PROPAGATE(-3):共享模式下,前继结点不仅会唤醒其后继结点,同时也可能会唤醒后继的后继结点。
*
0:新结点入队时的默认状态。

注意,负值表示结点处于有效等待状态,而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常

3.1 acquire(int)

此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源,线程直接返回,否则进入等待队列,直到获取到资源为止,且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义,当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后,线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire()的源码:

 

函数流程如下:

  1. tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回(这里体现了非公平锁,每个线程获取锁时会尝试直接抢占加塞一次,而CLH队列中可能还有别的线程在等待);
  2. addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
  3. acquireQueued()使线程阻塞在等待队列中获取资源,一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。

这时单凭这4个抽象的函数来看流程还有点朦胧,不要紧,看完接下来的分析后,你就会明白了。就像《大话西游》里唐僧说的:等你明白了舍生取义的道理,你自然会回来和我唱这首歌的。

3.1.1 tryAcquire(int)

此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功,则直接返回true,否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义,还是那句话,当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码:

 

什么?直接throw异常?说好的功能呢?好吧,**还记得概述里讲的AQS只是一个框架,具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗?**就是这里了!!!AQS这里只定义了一个接口,具体资源的获取交由自定义同步器去实现了(通过state的get/set/CAS)!!!至于能不能重入,能不能加塞,那就看具体的自定义同步器怎么去设计了!!!当然,自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。

这里之所以没有定义成abstract,是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease,而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract,那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。说到底,Doug Lea还是站在咱们开发者的角度,尽量减少不必要的工作量。

3.1.2 addWaiter(Node)

此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾,并返回当前线程所在的结点。还是上源码吧:

 不用再说了,直接看注释吧。

3.1.2.1 enq(Node)

   此方法用于将node加入队尾。源码如下:

 

如果你看过AtomicInteger.getAndIncrement()函数源码,那么相信你一眼便看出这段代码的精华。CAS自旋volatile变量,是一种很经典的用法。还不太了解的,自己去百度一下吧。

3.1.3 acquireQueued(Node, int)

OK,通过tryAcquire()和addWaiter(),该线程获取资源失败,已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧:进入等待状态休息,直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己,自己再拿到资源,然后就可以去干自己想干的事了。没错,就是这样!是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事:在等待队列中排队拿号(中间没其它事干可以休息),直到拿到号后再返回。这个函数非常关键,还是上源码吧:

 

到这里了,我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程,先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。

3.1.3.1 shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

此方法主要用于检查状态,看看自己是否真的可以去休息了(进入waiting状态,如果线程状态转换不熟,可以参考本人上一篇写的Thread详解),万一队列前边的线程都放弃了只是瞎站着,那也说不定,对吧!

 

整个流程中,如果前驱结点的状态不是SIGNAL,那么自己就不能安心去休息,需要去找个安心的休息点,同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

3.1.3.2 parkAndCheckInterrupt()

如果线程找好安全休息点后,那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息,真正进入等待状态。

   park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下,有两种途径可以唤醒该线程:1)被unpark();2)被interrupt()。(再说一句,如果线程状态转换不熟,可以参考本人写的Thread详解)。需要注意的是,Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。 

3.1.3.3 小结

OK,看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt(),现在让我们再回到acquireQueued(),总结下该函数的具体流程:

  1. 结点进入队尾后,检查状态,找到安全休息点;
  2. 调用park()进入waiting状态,等待unpark()或interrupt()唤醒自己;
  3. 被唤醒后,看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到,head指向当前结点,并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过;如果没拿到,继续流程1。

 

3.1.4 小结

OKOK,acquireQueued()分析完之后,我们接下来再回到acquire()!再贴上它的源码吧:

再来总结下它的流程吧:

  1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;
  2. 没成功,则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
  3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息,有机会时(轮到自己,会被unpark())会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。

由于此函数是重中之重,我再用流程图总结一下:

至此,acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程,不信你去看其lock()源码吧,整个函数就是一条acquire(1)!!!

 

3.2 release(int)

   上一小节已经把acquire()说完了,这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义,当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码:

 

逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是,它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了!所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点!!

3.2.1 tryRelease(int)

此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码:

 

跟tryAcquire()一样,这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说,tryRelease()都会成功的,因为这是独占模式,该线程来释放资源,那么它肯定已经拿到独占资源了,直接减掉相应量的资源即可(state-=arg),也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值,上面已经提到了,**release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了!**所以自义定同步器在实现时,如果已经彻底释放资源(state=0),要返回true,否则返回false。

3.2.2 unparkSuccessor(Node)

此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码:

 

这个函数并不复杂。一句话概括:用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程,这里我们也用s来表示吧。此时,再和acquireQueued()联系起来,s被唤醒后,进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断(即使p!=head也没关系,它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了,那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整,s也必然会跑到head的next结点,下一次自旋p==head就成立啦),然后s把自己设置成head标杆结点,表示自己已经获取到资源了,acquire()也返回了!!And then, DO what you WANT!

3.2.3 小结

release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

 

      74楼的朋友提了一个非常有趣的问题:如果获取锁的线程在release时异常了,没有unpark队列中的其他结点,这时队列中的其他结点会怎么办?是不是没法再被唤醒了?

      答案是YES(测试程序详见76楼)!!!这时,队列中等待锁的线程将永远处于park状态,无法再被唤醒!!!但是我们再回头想想,获取锁的线程在什么情形下会release抛出异常呢??

  1. 线程突然死掉了?可以通过thread.stop来停止线程的执行,但该函数的执行条件要严苛的多,而且函数注明是非线程安全的,已经标明Deprecated;
  2. 线程被interupt了?线程在运行态是不响应中断的,所以也不会抛出异常;
  3. release代码有bug,抛出异常了?目前来看,Doug Lea的release方法还是比较健壮的,没有看出能引发异常的情形(如果有,恐怕早被用户吐槽了)。除非自己写的tryRelease()有bug,那就没啥说的,自己写的bug只能自己含着泪去承受了

3.3 acquireShared(int)

此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源,获取成功则直接返回,获取失败则进入等待队列,直到获取到资源为止,整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码:

 

这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了:负值代表获取失败;0代表获取成功,但没有剩余资源;正数表示获取成功,还有剩余资源,其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是:

  1. tryAcquireShared()尝试获取资源,成功则直接返回;
  2. 失败则通过doAcquireShared()进入等待队列,直到获取到资源为止才返回。

3.3.1 doAcquireShared(int)

此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息,直到其他线程释放资源唤醒自己,自己成功拿到相应量的资源后才返回。下面是doAcquireShared()的源码:

 

有木有觉得跟acquireQueued()很相似?对,其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了,而独占模式是放到acquireQueued()之外,其实都一样,不知道Doug Lea是怎么想的。

跟独占模式比,还有一点需要注意的是,这里只有线程是head.next时(“老二”),才会去尝试获取资源,有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了,假如老大用完后释放了5个资源,而老二需要6个,老三需要1个,老四需要2个。老大先唤醒老二,老二一看资源不够,他是把资源让给老三呢,还是不让?答案是否定的!老二会继续park()等待其他线程释放资源,也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式,同一时刻只有一个线程去执行,这样做未尝不可;但共享模式下,多个线程是可以同时执行的,现在因为老二的资源需求量大,而把后面量小的老三和老四也都卡住了。当然,这并不是问题,只是AQS保证严格按照入队顺序唤醒罢了(保证公平,但降低了并发)。

 

3.3.1.1 setHeadAndPropagate(Node, int)

 

此方法在setHead()的基础上多了一步,就是自己苏醒的同时,如果条件符合(比如还有剩余资源),还会去唤醒后继结点,毕竟是共享模式!

doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。

 

3.3.2 小结

OK,至此,acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程:

  1. tryAcquireShared()尝试获取资源,成功则直接返回;

  2. 失败则通过doAcquireShared()进入等待队列park(),直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。

其实跟acquire()的流程大同小异,只不过多了个自己拿到资源后,还会去唤醒后继队友的操作(这才是共享嘛)

3.4 releaseShared()

上一小节已经把acquireShared()说完了,这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源,如果成功释放且允许唤醒等待线程,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码:

 

此方法的流程也比较简单,一句话:释放掉资源后,唤醒后继。跟独占模式下的release()相似,但有一点稍微需要注意:独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源(state=0)后,才会返回true去唤醒其他线程,这主要是基于独占下可重入的考量;而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求,共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行,那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。例如,资源总量是13,A(5)和B(7)分别获取到资源并发运行,C(4)来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量,然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C,C一看只有3个仍不够继续等待;随后B又释放2个,tryReleaseShared(2)返回true唤醒C,C一看有5个够自己用了,然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源(state=0)才返回true,所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。

3.4.1 doReleaseShared()

此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码:

 

 

3.5 小结

本节我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码,相信大家都有一定认识了。值得注意的是,acquire()和acquireShared()两种方法下,线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的,acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是,相应的源码跟acquire()和acquireShared()差不多,这里就不再详解了。

 

四、简单应用

通过前边几个章节的学习,相信大家已经基本理解AQS的原理了。这里再将“框架”一节中的一段话复制过来:

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:

  • isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
  • tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
  • tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
  • tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
  • tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。

OK,下面我们就以AQS源码里的Mutex为例,讲一下AQS的简单应用。

4.1 Mutex(互斥锁)

Mutex是一个不可重入的互斥锁实现。锁资源(AQS里的state)只有两种状态:0表示未锁定,1表示锁定。下边是Mutex的核心源码:

 

同步类在实现时一般都将自定义同步器(sync)定义为内部类,供自己使用;而同步类自己(Mutex)则实现某个接口,对外服务。当然,接口的实现要直接依赖sync,它们在语义上也存在某种对应关系!!而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase,至于线程的排队、等待、唤醒等,上层的AQS都已经实现好了,我们不用关心。

除了Mutex,ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多,不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点,AQS的核心便被攻破了!

OK,至此,整个AQS的讲解也要落下帷幕了。希望本文能够对学习Java并发编程的同学有所借鉴,中间写的有不对的地方,也欢迎讨论和指正~

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