AQS,在java.util.concurrent.locks包中,AbstractQueuedSynchronizer这个类是并发包中的核心,了解其他类之前,需要先弄清楚AQS。在JUC的很多类中都会存在一个内部类Sync,Sync都是继承自AbstractQueuedSynchronizer,相信不用说就能明白AQS有多重要。
AQS原理
AQS就是一个同步器,要做的事情就相当于一个锁,所以就会有两个动作:一个是获取,一个是释放。获取释放的时候该有一个东西来记住他是被用还是没被用,这个东西就是一个状态。如果锁被获取了,也就是被用了,还有很多其他的要来获取锁,总不能给全部拒绝了,这时候就需要他们排队,这里就需要一个队列。这大概就清楚了AQS的主要构成了:
获取和释放两个动作
同步状态(原子操作)
阻塞队列
state
AQS用32位整形来表示同步状态。
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private volatile int state;
在互斥锁中表示线程是否已经获取了锁,0未获取,1已经获取,大于1表示重入数。
AQS提供了getState(),setState(),compareAndSetState()来获取和修改state的值,这些操作需要atomic包的支持,采用CAS操作,保证其原子性和可见性。
AQS的CLH锁队列
CLH其实就是一个FIFO的队列,只不过稍微做了点改进。AQS中内部使用内部类Node来实现,是一个链表队列,原始CLH使用自旋锁,AQS的CLH则在每个node里使用一个状态字段来控制阻塞,不是自旋。直接看代码:
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/** +------+ prev +-----+ +-----+ head | | <---- | | <---- | | tail +------+ +-----+ +-----+ /** static final class Node { //作为共享模式 static final Node SHARED = new Node(); //作为独占模式 static final Node EXCLUSIVE = null; //等待状态:表示节点中线程是已被取消的 static final int CANCELLED = 1; //等待状态:表示当前节点的后继节点的线程需要被唤醒 static final int SIGNAL = -1; //等待状态:表示线程正在等待条件 static final int CONDITION = -2; //等待状态:表示下一个共享模式的节点应该无条件的传播下去 static final int PROPAGATE = -3; //等待状态,初始化为0,剩下的状态就是上面列出的 volatile int waitStatus; //当前节点的前驱节点 volatile Node prev; //后继节点 volatile Node next; //当前节点的线程 volatile Thread thread; // Node nextWaiter; //是否是共享节点 final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } //当前节点的前驱节点 final Node predecessor() throws NullPointerException { Node p = prev; if (p == null) throw new NullPointerException(); else return p; } Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker } Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }
共享锁和互斥锁
AQS的CLH队列锁中,每个节点代表着一个需要获取锁的线程,该node中有两个常量SHARED共享模式,EXCLUSIVE独占模式。
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/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */ static final Node SHARED = new Node(); /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */ static final Node EXCLUSIVE = null;
共享模式允许多个线程可以获取同一个锁,独占模式则一个锁只能被一个线程持有,其他线程必须要等待。
AQS源码
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//阻塞队列的队列头 private transient volatile Node head; //队列尾 private transient volatile Node tail; //同步状态,这就是上面提到的需要原子操作的状态 private volatile int state; //返回当前同步器的状态 protected final int getState() { return state; } //设置同步器的状态 protected final void setState(int newState) { state = newState; } //原子的设置当前同步器的状态 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } // static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;
独占模式的获取
acquire,独占,忽略中断
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//独占模式的获取方法,会忽略中断 //tryAcquire方法会被至少调用一次,由子类实现 //如果tryAcquire不能成功,当前线程就会进入队列排队 public final void acquire(int arg) { //首先调用tryAcquire尝试获取 //获取不成功,就使用acquireQueued使线程进入等待队列 if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
tryAcquire方法:
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//由子类来实现 //尝试在独占模式下获取,会查询该对象的状态是否允许在独占模式下获取 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
使用指定的模式创建一个节点,添加到AQS链表队列中:
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private Node addWaiter(Node mode) { //当前线程,指定的mode,共享或者独占 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); //先尝试使用直接添加进队列 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //使用添加节点的方法 enq(node); return node; }
向队列中插入节点:
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//会插入节点到对列中 private Node enq(final Node node) { for (;;) { //尾节点 Node t = tail; //需要实例化一个队列 if (t == null) { // Must initialize //使用cas创建头节点 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
tryAcquire没有获取到,就会先使用addWaiter添加进队列,然后使用acquireQueued从队列获取,如果这时候获取成功,则替换当前节点为队列头,然后返回:
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//独占模式处理正在排队等待的线程。 //自旋,直至获取成功才返回 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { //当前获取是否失败 boolean failed = true; try { //获取是否被中断 boolean interrupted = false; for (;;) { //获取当前节点的前驱节点 final Node p = node.predecessor(); //head节点要么是刚才初始化的节点 //要么就是成功获取锁的节点 //如果当前节点的前驱节点是head,当前节点就应该去尝试获取锁了 //当前节点的前驱节点是头节点,就尝试获取 if (p == head && tryAcquire(arg)) { //获取成功的话,就把当前节点设置为头节点 setHead(node); //之前的head节点的next引用设为null p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } //查看当前节点是否应该被park //如果应该,就park当前线程 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { //失败了,取消当前线程 if (failed) cancelAcquire(node); } }
设置头节点,只能被获取方法调用:
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private void setHead(Node node) { head = node; node.thread = null; node.prev = null; }
shouldParkAfterFailedAcquire方法,查看是否应该被park:
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private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //前驱节点中保存的等待状态 int ws = pred.waitStatus; //等待状态是signal,也就是当前节点在等着被唤醒 //此时当前节点应该park if (ws == Node.SIGNAL) return true; //等待状态大于0表示前驱节点已经取消 //会向前找到一个非取消状态的节点 if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { //将前驱节点的waitStatus设置为signal,表示当前需要被park compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
看下parkAndCheckInterrupt方法:
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//挂起当前线程,并返回当前中断状态 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { //挂起当前线程 LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }
cancelAcquire取消当前节点:
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private void cancelAcquire(Node node) { //节点不存在 if (node == null) return; //节点的线程引用设为null node.thread = null; //前驱节点 Node pred = node.prev; //大于0表示前驱节点被取消 while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; //前驱节点的下一个是需要移除的节点 Node predNext = pred.next; //设置节点状态为取消 node.waitStatus = Node.CANCELLED; //如果是尾节点,直接取消,将前一个节点设置为尾节点 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null); } else {//不是尾节点,说明有后继节点,将前驱节点的next纸箱后继节点 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 } }
acquireInterruptibly 独占,可中断
跟独占忽略中断类似,不再解释。
tryAcquireNanos,独占,可超时,可中断
跟上面类似,但是在doAcquireNanos中会获取当前时间,并获取LockSupport.parkNanos之后的时间在做超时时间的重新计算,到了超时时间,就返回false。
独占模式的释放
release,独占,忽略中断
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public final boolean release(int arg) { //尝试释放,修改状态 if (tryRelease(arg)) { //成功释放 //head代表初始化的节点,或者是当前占有锁的节点 //需要unpark后继节点 Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
unparkSuccessor:
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private void unparkSuccessor(Node node) { //头节点中保存的waitStatus int ws = node.waitStatus; //重置头节点状态为0 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); //后继节点 Node s = node.next; //后继节点为null或者已经取消 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; //从最后往前找有效的节点 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } //unpark if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
共享模式的获取
acquireShared,共享,忽略中断
acquireSharedInterruptibly,共享,可中断
tryAcquireSharedNanos,共享,可设置超时,可中断
共享模式的释放
releaseShared
共享模式的和独占模式基本差不多,和独占式的acquireQueued方法区别就是在获取成功的节点后会继续unpark后继节点,将共享状态向后传播。
LockSupport
用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。每个使用LockSupport的线程都会与一个许可关联,如果该许可可用并且可在进程中使用,则调用park()将会立即返回,否则可能阻塞。如果许可不可用,可调用unpark使其可用。
许可不可重入,只能调用一次park()方法,否则会一直阻塞。
park()和unpark()作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程,且park和unpark不会遇到suspend和resume可能引发的死锁问题。
park,如果许可可用,使用该许可,并且该调用立即返回;否则为线程调度禁用当前线程,并在发生以下三种情况之一之前,使其处于休眠状态:
* 其他某个线程将当前线程作为目标调用unpark
* 其他某个线程中断当前线程
* 该调用不合逻辑的返回
unpark,如果给定的线程尚不可用,则使其可用。如果线程在park上受阻塞,则它将解除其阻塞状态。否则,保证下一次调用park不受阻塞。如果给定线程尚未启动,则无法保证此操作有任何效果。