AQS的理解和总结

AQS的理解和总结

1.概述

本来想总结一篇关于ReentranLock的文章,但是如果想要对ReentranLock有一个比较深入的理解,那么就不可避免的要熟悉AQS,那么我就以追ReentranLock源码的方式,来学习AQS。

那么什么是AQS呢,他的全名是AbstractQueuedSynchronizer,也就是抽象队列式同步器,很多常见的同步器都是基于这个抽象类实现的,例如:ReentrantLock,Semaphore,其他的诸如ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask等等。这个抽象类存在于java.util.concurrent.locks包下面,规定了多线程对于共享资源的一些同步规则,总之就是很重要!

2.探索AQS

打开IDEA,又到了追源码的过程,追源码需要有主线思维,但是这篇文章的主线不是很好把控,ReentranLock类内容很多,AQS里面内容也很多,这里我尽可能叙述的清晰一些,尽最大可能交付,哈哈哈😋

都说ReentranLock是基于AQS实现的,那么他们二者之间如何挂上关系的呢?

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    /** Synchronizer providing all implementation mechanics */
    private final Sync sync;

    /**
     * Base of synchronization control for this lock. Subclassed
     * into fair and nonfair versions below. Uses AQS state to
     * represent the number of holds on the lock.
     */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        .....

可以看到,ReentranLock类里面有一个抽象的静态内部类Sync,而这个Sync继承了AQS,这个内部类里面的内容待会详细说

AQS原理图:

AQS
AQS使用一个int类型的变量state来表示共享资源的状态,

 /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;//volatile关键字来保证多线程之间的可见性,禁止指令重排

这个状态信息可以通过三种protected类型的方法进行操作:

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {
        return state;
    }
//设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }
//使用CAS进行赋值,如果当前状态的值和期待值相等,那么将当前值更新为update,我们可以看到使用了CAS最核心的unsafe类,调用本地方法,执行操作系统原语来保证操作的原子性
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

除了state以外,我们从上面的图中还可以看到CLH队列,这是一个虚拟的双向队列,虚拟就是不存在实际的队列实例,只存在节点之间的连接关系,AQS将每个请求共享资源的线程封装成一个节点放在这个CLH中

那么节点又是什么呢,先不急,我们先来看一下AQS定义的两种资源获取方式:

  • Exclusive独占:只有一个线程能拥有,ReentranLock就是这样的,独占方式又分为公平锁和非公平锁
  • Share共享:多个线程可以同时执行,例如Semphore,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。

 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。

好了,现在来说以下节点Node,节点就是对一个等待资源线程的封装,节点里面不仅包括线程本身,还包括节点的等待状态waitStatus,Node本身是AQS的一个静态内部类:

static final class Node {...}

来看一下这个内部类的结构:

image.png

waitStatus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


下面来看一下同步器需要实现的对共享资源的获取和释放的源码是什么样的,依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来

1.acquire(int)

这是独占模式的获取 资源的方法,如果线程获取到资源直接返回,如果获取不到,那么进入等待队列,知道获得到资源为止,注意这个过程并不会相应中断,只有线程获得资源并执行临界区代码之后才会相应中断

acquire()源码:

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

好,我们仔细看一下这个源码,好,啥也看不出来,继续往下追:

tryAcquire()

这个方法尝试获取独占资源,源码:

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

腚眼一看,不,定睛一看,怎么什么功能逻辑都没有啊,抛出来一个异常?

这不就和上面我们所说的对应上了:具体的资源获取/释放方式还是由同步器自己定义的,AQS给你保障了队列节点之间的关系,但是对于资源获取和释放给了同步器自己表现的机会,至于资源获取时能不能重入,能不能加塞,那就要看自定义同步器怎么设计了

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。

addWaiter()

这个方法用于将线程放在等待队列的末尾,并返回当前线程所在的节点

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

这一看addWaiter里面还有方法,继续追

enq

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

这么一看enq也是将当前节点放在队尾,首先在addWaiter()方法中尝试一下快速加入,如果成功的话就减少开销了,因为我们也可以看到,在enq()方法中使用自旋的方法来等待设置成功,而且要是使用enq()方法还多出来一个栈帧

acquireQueued(Node,int)

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
    try {
        boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过
        
        //又是一个“自旋”!
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
            //如果前驱是head,即该结点已成老二,那么便有资格去尝试获取资源(可能是老大释放完资源唤醒自己的,当然也可能被interrupt了)。
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);//拿到资源后,将head指向该结点。所以head所指的标杆结点,就是当前获取到资源的那个结点或null。
                p.next = null; // setHead中node.prev已置为null,此处再将head.next置为null,就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了!
                failed = false; // 成功获取资源
                return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
            }
            
            //如果自己可以休息了,就通过park()进入waiting状态,直到被unpark()。如果不可中断的情况下被中断了,那么会从park()中醒过来,发现拿不到资源,从而继续进入park()等待。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;//如果等待过程中被中断过,哪怕只有那么一次,就将interrupted标记为true
        }
    } finally {
        if (failed) // 如果等待过程中没有成功获取资源(如timeout,或者可中断的情况下被中断了),那么取消结点在队列中的等待。
            cancelAcquire(node);
    }
}

啥玩意啊,我吐了啊,这里还要继续往下追:

看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么

shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

这个方法用于检查自己是否真的可以去休息了,可能会出现前一个已经放弃了,但是自己还在这里傻等着的情况:

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态
    if (ws == Node.SIGNAL)
        //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下,那就可以安心休息了
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * 如果前驱放弃了,那就一直往前找,直到找到最近一个正常等待的状态,并排在它的后边。
         * 注意:那些放弃的结点,由于被自己“加塞”到它们前边,它们相当于形成一个无引用链,稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)!
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
         //如果前驱正常,那就把前驱的状态设置成SIGNAL,告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败,人家说不定刚刚释放完呢!
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

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。

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。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
     LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态
     return Thread.interrupted();//如果被唤醒,查看自己是不是被中断的。
 }

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()。需要注意的是,Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。

总结一下这个addQueued()方法的执行流程:

  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。

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

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

再来总结下它的流程:

  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。

执行流程:(当然不是我自己画的,参考文章我会在最后表明,感谢作者!)

img

这个acquired()方法终于结束了,其实这也是ReentranLock的lock()方法的底层实现,我们看一下lock()方法源码(公平锁):

final void lock() {
    acquire(1);
}

2.release(int)

这个方法和上面那个正好是相反的,这个用于独占模式下线程的释放资源,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。

源码:

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;//找到头结点
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
        return true;
    }
    return false;
}

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!!

tryRelease()

此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码:

protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

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。

unparkSuccessor(Node)

此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码:

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //这里,node一般为当前线程所在的结点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态,允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出,<=0的结点,都是还有效的结点。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

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!

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。

3.acquiredShared(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:

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

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。

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:

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
    boolean failed = true;//是否成功标志
    try {
        boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//前驱
            if (p == head) {//如果到head的下一个,因为head是拿到资源的线程,此时node被唤醒,很可能是head用完资源来唤醒自己的
                int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
                if (r >= 0) {//成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己,还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)//如果等待过程中被打断过,此时将中断补上。
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            
            //判断状态,寻找安全点,进入waiting状态,等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

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)。

setHeadAndPropagate(Node, int)

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head; 
    setHead(node);//head指向自己
     //如果还有剩余量,继续唤醒下一个邻居线程
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

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。

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)

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:

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源
        doReleaseShared();//唤醒后继结点
        return true;
    }
    return false;
}

 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。

doReleaseShared()

 此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码:

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                unparkSuccessor(h);//唤醒后继
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        if (h == head)// head发生变化
            break;
    }
}

上面我们总结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。

3.总结

通篇下来并没有涉及到太多ReentranLock源码,只是以他作为一个入口来探索AQS,他是AQS的一个比较典型的实现,例如上面我们所说的,同步器需要自己实现资源的获取和释放,那么在ReentranLock的lock()方法中我们可以看到他调用了AQS的acquired()方法,在unlock()中调用的AQS 的release()方法

上面的文章是查找资料之后加上一些自己的理解并整理而成,可能不是很全面,很准确😅

这篇文章参考博客园博客:

https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html

只是作为个人的知识总结,并没有其他用途,侵删~~~

感谢作者的奉献!