java并发包分析之———AQS框架

时间：2021-03-14 06:53:08

一、什么是同步器

 

多线程并发的执行，之间通过某种 共享 状态来同步，只有当状态满足 xxxx 条件，才能触发线程执行 xxxx 。

这个共同的语义可以称之为同步器。可以认为以上所有的锁机制都可以基于同步器定制来实现的。

而juc(java.util.concurrent)里的思想是 将这些场景抽象出来的语义通过统一的同步框架来支持。

juc 里所有的这些锁机制都是基于 AQS （ AbstractQueuedSynchronizer ）框架上构建的。下面简单介绍下 AQS（ AbstractQueuedSynchronizer ）。 可以参考Doug Lea的论文The java.util.concurrent Synchronizer Framework

我们来看下java.util.concurrent.locks大致结构
java并发包分析之———AQS框架
上图中，LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上，为何图中没有用UML线表示呢，这是每个Lock实现类都持有自己内部类Sync的实例，而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync呢？这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。下文会举例说明不同同步器内的Sync与state实现。

二、AQS框架如何构建同步器

 

0、同步器的基本功能

 

一个同步器至少需要包含两个功能：

1.       获取同步状态

如果允许，则获取锁，如果不允许就阻塞线程，直到同步状态允许获取。

2.       释放同步状态

修改同步状态，并且唤醒等待线程。

根据作者论文， aqs 同步机制同时考虑了如下需求：

1.       独占锁和共享锁两种机制。

2.       线程阻塞后，如果需要取消，需要支持中断。

3.       线程阻塞后，如果有超时要求，应该支持超时后中断的机制。

1、同步状态的获取与释放

 

AQS实现了一个同步器的基本结构，下面以独占锁与共享锁分开讨论，来说明AQS怎样实现获取、释放同步状态。

1.1、独占模式

 

独占获取： tryAcquire 本身不会阻塞线程，如果返回 true 成功就继续，如果返回 false 那么就阻塞线程并加入阻塞队列。

  1. public final void acquire(int arg) {
  2. if (!tryAcquire(arg) &&
  3. acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//获取失败，则加入等待队列
  4. selfInterrupt();
  5. }

独占且可中断模式获取：支持中断取消

  1. public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  2. if (Thread.interrupted())
  3. throw new InterruptedException();
  4. if (!tryAcquire(arg))
  5. doAcquireInterruptibly(arg);
  6. }

独占且支持超时模式获取： 带有超时时间，如果经过超时时间则会退出。

  1. public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
  2. if (Thread.interrupted())
  3. throw new InterruptedException();
  4. return tryAcquire(arg) ||
  5. doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);

独占模式释放：释放成功会唤醒后续节点

  1. public final boolean release(int arg) {
  2. if (tryRelease(arg)) {
  3. Node h = head;
  4. if (h != null && h.waitStatus != 0)
  5. unparkSuccessor(h);
  6. return true;
  7. }
  8. return false;
  9. }

1.2、共享模式

共享模式获取

  1. public final void acquireShared(int arg) {
  2. if (tryAcquireShared(arg) < 0)
  3. doAcquireShared(arg);

可中断模式共享获取

  1. public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  2. if (Thread.interrupted())
  3. throw new InterruptedException();
  4. if (tryAcquireShared(arg) < 0)
  5. doAcquireSharedInterruptibly(arg);
  6. }

共享模式带定时获取

  1. public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
  2. if (Thread.interrupted())
  3. throw new InterruptedException();
  4. return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
  5. doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
  6. }

共享锁释放

  1. public final boolean releaseShared(int arg) {
  2. if (tryReleaseShared(arg)) {
  3. doReleaseShared();
  4. return true;
  5. }
  6. return false;
  7. }

注意以上框架只定义了一个同步器的基本结构框架，的基本方法里依赖的 tryAcquire 、 tryRelease 、tryAcquireShared 、 tryReleaseShared 四个方法在 AQS 里没有实现，这四个方法不会涉及线程阻塞，而是由各自不同的使用场景根据情况来定制:

  1. protected boolean tryAcquire(int arg) {
  2. throw new UnsupportedOperationException();
  3. }
  4. protected boolean tryRelease(int arg) {
  5. throw new UnsupportedOperationException();
  6. }
  7. protected int tryAcquireShared(int arg) {
  8. throw new UnsupportedOperationException();
  9. }
  10. protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
  11. throw new UnsupportedOperationException();
  12. }

从以上源码可以看出AQS实现基本的功能：

AQS虽然实现了acquire，和release方法是可能阻塞的，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的且是不阻塞的可。以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。

3、状态获取、释放成功或失败的后续行为：线程的阻塞、唤醒机制

 

有别于wait和notiry。这里利用 jdk1.5 开始提供的 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的本地方法实现，实现线程的阻塞和唤醒。

得到锁的线程禁用(park)和唤醒(unpark)，也是直接native实现（这几个native方法的实现代码在hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cpp文件中，但是关键代码park的最终实现是和操作系统相关的，比如windows下实现是在os_windows.cpp中，有兴趣的同学可以下载jdk源码查看）。唤醒一个被park()线程主要手段包括以下几种
1. 其他线程调用以被park()线程为参数的unpark(Thread thread).
2. 其他线程中断被park()线程,如waiters.peek().interrupt();waiters为存储线程对象的队列.
3. 不知原因的返回。

park()方法返回并不会报告到底是上诉哪种返回，所以返回好最好检查下线程状态，如

  1. LockSupport.park();  //禁用当前线程
  2. if(Thread.interrupted){
  3. //doSomething
  4. }

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）对于这点实现得相当巧妙，如下所示

  1. private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throwsInterruptedException {
  2. final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
  3. try {
  4. for (;;) {
  5. final Node p = node.predecessor();
  6. if (p == head) {
  7. int r = tryAcquireShared(arg);
  8. if (r >= 0) {
  9. setHeadAndPropagate(node, r);
  10. p.next = null; // help GC
  11. return;
  12. }
  13. }
  14. //parkAndCheckInterrupt()会返回park住的线程在被unpark后的线程状态，如果线程中断，跳出循环。
  15. if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
  16. parkAndCheckInterrupt())
  17. break;
  18. }
  19. } catch (RuntimeException ex) {
  20. cancelAcquire(node);
  21. throw ex;
  22. }
  23. // 只有线程被interrupt后才会走到这里
  24. cancelAcquire(node);
  25. throw new InterruptedException();
  26. }
  27. //在park()住的线程被unpark()后，第一时间返回当前线程是否被打断
  28. private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
  29. LockSupport.park(this);
  30. return Thread.interrupted();
  31. }

4、线程阻塞队列的维护

 

阻塞线程节点队列 CHL Node queue 。

根据论文里描述， AQS 里将阻塞线程封装到一个内部类 Node 里。并维护一个 CHL Node FIFO 队列。 CHL队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。实现无锁且快速的插入。关于非阻塞算法可以参考  Java 理论与实践: 非阻塞算法简介 。CHL队列对应代码如下：

  1. /**
  2. * CHL头节点
  3. */
  4. rivate transient volatile Node head;
  5. /**
  6. * CHL尾节点
  7. */
  8. private transient volatile Node tail;

Node节点是对Thread的一个封装，结构大概如下：

  1. static final class Node {
  2. /** 代表线程已经被取消*/
  3. static final int CANCELLED =  1;
  4. /** 代表后续节点需要唤醒 */
  5. static final int SIGNAL    = -1;
  6. /** 代表线程在等待某一条件/
  7. static final int CONDITION = -2;
  8. /** 标记是共享模式*/
  9. static final Node SHARED = new Node();
  10. /** 标记是独占模式*/
  11. static final Node EXCLUSIVE = null;
  12. /**
  13. * 状态位 ，分别可以使CANCELLED、SINGNAL、CONDITION、0
  14. */
  15. volatile int waitStatus;
  16. /**
  17. * 前置节点
  18. */
  19. volatile Node prev;
  20. /**
  21. * 后续节点
  22. */
  23. volatile Node next;
  24. /**
  25. * 节点代表的线程
  26. */
  27. volatile Thread thread;
  28. /**
  29. *连接到等待condition的下一个节点
  30. */
  31. Node nextWaiter;
  32. }

5、小结

从源码可以看出AQS实现基本的功能：

1.同步器基本范式、结构

2.线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

AQS虽然实现了acquire，和release方法，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的。可以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现

还有以下一些私有方法，用于辅助完成以上的功能：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) ：申请队列

private Node enq(final Node node) : 入队

private Node addWaiter(Node mode) ：以mode创建创建节点，并加入到队列

private void unparkSuccessor(Node node) ： 唤醒节点的后续节点，如果存在的话。

private void doReleaseShared() ：释放共享锁

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate)：设置头，并且如果是共享模式且propagate大于0，则唤醒后续节点。

private void cancelAcquire(Node node) ：取消正在获取的节点

private static void selfInterrupt() ：自我中断

private final boolean parkAndCheckInterrupt() ： park 并判断线程是否中断

三、AQS在各同步器内的Sync与State实现

 

1、什么是state机制：

 

提供 volatile 变量 state;  用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

  1. /**
  2. * 同步状态
  3. */
  4. private volatile int state;
  5. /**
  6. *cas
  7. */
  8. protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
  9. // See below for intrinsics setup to support this
  10. return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
  11. }

2、不同实现类的Sync与State：

 

基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等，这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放，只是条件不一样而已。

2.1、ReentrantLock

 

需要记录当前线程获取原子状态的次数，如果次数为零，那么就说明这个线程放弃了锁（也有可能其他线程占据着锁从而需要等待），如果次数大于1，也就是获得了重进入的效果，而其他线程只能被park住，直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。

  1. //公平获取锁
  2. protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
  3. final Thread current = Thread.currentThread();
  4. int c = getState();
  5. //如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁
  6. if (c == 0) {
  7. //如果是第一个等待者，并且设置重进入数成功，那么当前线程获得锁
  8. if (isFirst(current) &&
  9. compareAndSetState(0, acquires)) {
  10. setExclusiveOwnerThread(current);
  11. return true;
  12. }
  13. }
  14. //如果当前线程本身就持有锁，那么叠加重进入数，并且继续获得锁
  15. else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
  16. int nextc = c + acquires;
  17. if (nextc < 0)
  18. throw new Error("Maximum lock count exceeded");
  19. setState(nextc);
  20. return true;
  21. }
  22. //以上条件都不满足，那么线程进入等待队列。
  23. return false;
  24. }

2.2、Semaphore

 

则是要记录当前还有多少次许可可以使用，到0，就需要等待，也就实现并发量的控制，Semaphore一开始设置许可数为1，实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现

 
  1. protected int tryAcquireShared(int acquires) {
  2. Thread current = Thread.currentThread();
  3. for (;;) {
  4. Thread first = getFirstQueuedThread();
  5. //如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程，那么就返回-1表示当前线程需要等待
  6. if (first != null && first != current)
  7. return -1;
  8. //如果当前队列没有等待者，或者当前线程就是等待队列第一个等待者，那么先取得semaphore还有几个许可证，并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值
  9. int available = getState();
  10. int remaining = available - acquires;
  11. //如果remining<0，那么反馈给AQS当前线程需要等待，如果remaining>0，并且设置availble成功设置成剩余数，那么返回剩余值(>0)，也就告知AQS当前线程拿到许可，可以继续执行。
  12. if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))
  13. return remaining;
  14. }
  15. }

2.3、CountDownLatch

 

闭锁则要保持其状态，在这个状态到达终止态之前，所有线程都会被park住，闭锁可以设定初始值，这个值的含义就是这个闭锁需要被countDown()几次，因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话，那么这个闭锁需要被countDown()十次，才能够将这个初始值减到0，从而释放原子状态，让等待的所有线程通过。

 
  1. //await时候执行，只查看当前需要countDown数量减为0了，如果为0，说明可以继续执行，否则需要park住，等待countDown次数足够，并且unpark所有等待线程
  2. public int tryAcquireShared(int acquires) {
  3. return getState() == 0? 1 : -1;
  4. }
  5. //countDown 时候执行，如果当前countDown数量为0，说明没有线程await，直接返回false而不需要唤醒park住线程，如果不为0，得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。
  6. public boolean tryReleaseShared(int releases) {
  7. for (;;) {
  8. int c = getState();
  9. if (c == 0)
  10. return false;
  11. int nextc = c-1;
  12. if (compareAndSetState(c, nextc))
  13. return nextc == 0;
  14. }
  15. }

2.4、FutureTask

 

需要记录任务的执行状态，当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法，即让具体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态，如果是RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法（与等待线程持相同的实例），设定执行结果，并且通过unpark唤醒正在等待的线程，返回结果。

 
  1. //get时待用，只检查当前任务是否完成或者被Cancel，如果未完成并且没有被cancel，那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住
  2. protected int tryAcquireShared(int ignore) {
  3. return innerIsDone()? 1 : -1;
  4. }
  5. //判定任务是否完成或者被Cancel
  6. boolean innerIsDone() {
  7. return ranOrCancelled(getState()) &&    runner == null;
  8. }
  9. //get时调用，对于CANCEL与其他异常进行抛错
  10. V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
  11. if (!tryAcquireSharedNanos(0,nanosTimeout))
  12. throw new TimeoutException();
  13. if (getState() == CANCELLED)
  14. throw new CancellationException();
  15. if (exception != null)
  16. throw new ExecutionException(exception);
  17. return result;
  18. }
  19. //任务的执行线程执行完毕调用（set(V v)）
  20. void innerSet(V v) {
  21. for (;;) {
  22. int s = getState();
  23. //如果线程任务已经执行完毕，那么直接返回（多线程执行任务？）
  24. if (s == RAN)
  25. return;
  26. //如果被CANCEL了，那么释放等待线程，并且会抛错
  27. if (s == CANCELLED) {
  28. releaseShared(0);
  29. return;
  30. }
  31. //如果成功设定任务状态为已完成，那么设定结果，unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作（一般由FutrueTask的子类实现）
  32. if (compareAndSetState(s, RAN)) {
  33. result = v;
  34. releaseShared(0);
  35. done();
  36. return;
  37. }
  38. }
  39. }

以上4个AQS的使用是比较典型，然而有个问题就是这些状态存在哪里呢？并且是可以计数的。从以上4个example,我们可以很快得到答案，AQS提供给了子类一个int state属性。并且暴露给子类getState()和setState()两个方法(protected)。这样就为上述状态解决了存储问题，RetrantLock可以将这个state用于存储当前线程的重进入次数，Semaphore可以用这个state存储许可数，CountDownLatch则可以存储需要被countDown的次数，而Future则可以存储当前任务的执行状态(RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer存储他们的一些状态。

AQS留给实现者的方法主要有5个方法，其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三个方法为需要独占形式获取的synchronizer实现的，比如线程独占ReetranLock的Sync，而tryAcquireShared和tryReleasedShared为需要共享形式获取的synchronizer实现。

ReentrantLock内部Sync类实现的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三个方法(因为获取锁的公平性问题，tryAcquire由继承该Sync类的内部类FairSync和NonfairSync实现)Semaphore内部类Sync则实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared(与CountDownLatch相似，因为公平性问题，tryAcquireShared由其内部类FairSync和NonfairSync实现)。CountDownLatch内部类Sync实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask内部类Sync也实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

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