【死磕Java并发】-----J.U.C之AQS:CLH同步队列

时间:2021-09-11 00:44:19

此篇博客全部源代码均来自JDK 1.8

在上篇博客【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:AQS简单介绍中提到了AQS内部维护着一个FIFO队列,该队列就是CLH同步队列。

CLH同步队列是一个FIFO双向队列,AQS依赖它来完毕同步状态的管理,当前线程假设获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同一时候会堵塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。

在CLH同步队列中,一个节点表示一个线程,它保存着线程的引用(thread)、状态(waitStatus)、前驱节点(prev)、后继节点(next),其定义例如以下:

static final class Node {
/** 共享 */
static final Node SHARED = new Node(); /** 独占 */
static final Node EXCLUSIVE = null; /**
* 由于超时或者中断。节点会被设置为取消状态。被取消的节点时不会參与到竞争中的,他会一直保持取消状态不会转变为其它状态;
*/
static final int CANCELLED = 1; /**
* 后继节点的线程处于等待状态。而当前节点的线程假设释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点,使后继节点的线程得以运行
*/
static final int SIGNAL = -1; /**
* 节点在等待队列中,节点线程等待在Condition上,当其它线程对Condition调用了signal()后,改节点将会从等待队列中转移到同步队列中,加入到同步状态的获取中
*/
static final int CONDITION = -2; /**
* 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
*/
static final int PROPAGATE = -3; /** 等待状态 */
volatile int waitStatus; /** 前驱节点 */
volatile Node prev; /** 后继节点 */
volatile Node next; /** 获取同步状态的线程 */
volatile Thread thread; Node nextWaiter; final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
} final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
} Node() {
} Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
} Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}

CLH同步队列结构图例如以下:

【死磕Java并发】-----J.U.C之AQS:CLH同步队列

入列

学了数据结构的我们,CLH队列入列是再简单只是了,无非就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点。当前最后一个节点的next指向当前节点。代码我们能够看看addWaiter(Node node)方法:

    private Node addWaiter(Node mode) {
//新建Node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//高速尝试加入尾节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}

addWaiter(Node node)先通过高速尝试设置尾节点,假设失败,则调用enq(Node node)方法设置尾节点

    private Node enq(final Node node) {
//多次尝试,直到成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//tail不存在。设置为首节点
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//设置为尾节点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

在上面代码中,两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点,该方法能够确保节点是线程安全加入的。

在enq(Node node)方法中,AQS通过“死循环”的方式来保证节点能够正确加入。仅仅有成功加入后。当前线程才会从该方法返回,否则会一直运行下去。

过程图例如以下:

【死磕Java并发】-----J.U.C之AQS:CLH同步队列

出列

CLH同步队列遵循FIFO。首节点的线程释放同步状态后,将会唤醒它的后继节点(next),而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。这个过程很easy,head运行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev就可以,注意在这个过程是不须要使用CAS来保证的,由于仅仅有一个线程能够成功获取到同步状态。过程图例如以下:

【死磕Java并发】-----J.U.C之AQS:CLH同步队列

參考资料

Doug Lea:《Java并发编程实战》

方腾飞:《Java并发编程的艺术》


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