Java并发系列[1]----AbstractQueuedSynchronizer源码分析之概要分析

Posted 2020-10-23 劳夫子

学习Java并发编程不得不去了解一下java.util.concurrent这个包，这个包下面有许多我们经常用到的并发工具类，例如：ReentrantLock, CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore等。而这些类的底层实现都依赖于AbstractQueuedSynchronizer这个类，由此可见这个类的重要性。所以在Java并发系列文章中我首先对AbstractQueuedSynchronizer这个类进行分析，由于这个类比较重要，而且代码比较长，为了尽可能分析的透彻一些，我决定用四篇文章对该类进行一个比较完整的介绍。本篇文章作为概要介绍主要是让读者们对该类有个初步了解。为了叙述简单，后续有些地方会用AQS代表这个类。

1. AbstractQueuedSynchronizer这个类是干嘛的？

相信要许多读者使用过ReentrantLock，但是却不知道AbstractQueuedSynchronizer的存在。其实ReentrantLock实现了一个内部类Sync，该内部类继承了AbstractQueuedSynchronizer，所有锁机制的实现都是依赖于Sync内部类，也可以说ReentrantLock的实现就是依赖于AbstractQueuedSynchronizer类。于此类似，CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore这些类也是采用同样的方式来实现自己对于锁的控制。可见，AbstractQueuedSynchronizer是这些类的基石。那么AQS内部到底实现了什么以至于所以这些类都要依赖于它呢？可以这样说，AQS为这些类提供了基础设施，也就是提供了一个密码锁，这些类拥有了密码锁之后可以自己来设置密码锁的密码。此外，AQS还提供了一个排队区，并且提供了一个线程训导员，我们知道线程就像一个原始的野蛮人，它不懂得讲礼貌，它只会横冲直撞，所以你得一步一步去教它，告诉它什么时候需要去排队了，要到哪里去排队，排队前要做些什么，排队后要做些什么。这些教化工作全部都由AQS帮你完成了，从它这里教化出来的线程都变的非常文明懂礼貌，不再是原始的野蛮人，所以以后我们只需要和这些文明的线程打交道就行了，千万不要和原始线程有过多的接触！

2. 为何说AbstractQueuedSynchronizer提供了一把密码锁？

 1 //同步队列的头结点
 2 private transient volatile Node head; 
 3 
 4 //同步队列的尾结点
 5 private transient volatile Node tail;
 6 
 7 //同步状态
 8 private volatile int state;
 9 
10 //获取同步状态
11 protected final int getState() {
12     return state;
13 }
14 
15 //设置同步状态
16 protected final void setState(int newState) {
17     state = newState;
18 }
19 
20 //以CAS方式设置同步状态
21 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
22     return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
23 }

上面的代码列出了AQS的所有成员变量，可以看到AQS的成员变量只有三个，分别是同步队列头结点引用，同步队列尾结点引用以及同步状态。注意，这三个成员变量都使用了volatile关键字进行修饰，这就确保了多个线程对它的修改都是内存可见的。整个类的核心就是这个同步状态，可以看到同步状态其实就是一个int型的变量，大家可以把这个同步状态看成一个密码锁，而且还是从房间里面锁起来的密码锁，state具体的值就相当于密码控制着密码锁的开合。当然这个锁的密码是多少就由各个子类来规定了，例如在ReentrantLock中，state等于0表示锁是开的，state大于0表示锁是锁着的，而在Semaphore中，state大于0表示锁是开的，state等于0表示锁是锁着的。

2. AbstractQueuedSynchronizer的排队区是怎样实现的？

AbstractQueuedSynchronizer内部其实有两个排队区，一个是同步队列，一个是条件队列。从上图可以看出，同步队列只有一条，而条件队列可以有多条。同步队列的结点分别持有前后结点的引用，而条件队列的结点只有一个指向后继结点的引用。图中T表示线程，每个结点包含一个线程，线程在获取锁失败后首先进入同步队列排队，而想要进入条件队列该线程必须持有锁才行。接下来我们看看队列中每个结点的结构。

 1 //同步队列的结点
 2 static final class Node {
 3     
 4     static final Node SHARED = new Node(); //表示当前线程以共享模式持有锁
 5     
 6     static final Node EXCLUSIVE = null;    //表示当前线程以独占模式持有锁
 7 
 8     static final int CANCELLED =  1;       //表示当前结点已经取消获取锁
 9     
10     static final int SIGNAL    = -1;       //表示后继结点的线程需要运行
11     
12     static final int CONDITION = -2;       //表示当前结点在条件队列中排队
13     
14     static final int PROPAGATE = -3;       //表示后继结点可以直接获取锁
15 
16     volatile int waitStatus; //表示当前结点的等待状态
17    
18     volatile Node prev;      //表示同步队列中的前继结点
19 
20     volatile Node next;      //表示同步队列中的后继结点  
21 
22     volatile Thread thread;  //当前结点持有的线程引用
23     
24     Node nextWaiter;         //表示条件队列中的后继结点
25 
26     //当前结点状态是否是共享模式
27     final boolean isShared() {
28         return nextWaiter == SHARED;
29     }
30 
31     //返回当前结点的前继结点
32     final Node predecessor() throws NullPointerException {
33         Node p = prev;
34         if (p == null) {
35             throw new NullPointerException();
36         } else {
37             return p;
38         }
39     }
40     
41     //构造器1
42     Node() {}
43     
44     //构造器2, 默认用这个构造器
45     Node(Thread thread, Node mode) {
46         //注意持有模式是赋值给nextWaiter
47         this.nextWaiter = mode;
48         this.thread = thread;
49     }
50     
51     //构造器3, 只在条件队列中用到
52     Node(Thread thread, int waitStatus) {
53         this.waitStatus = waitStatus;
54         this.thread = thread;
55     }
56 }

Node代表同步队列和条件队列中的一个结点，它是AbstractQueuedSynchronizer的内部类。Node有很多属性，比如持有模式，等待状态，同步队列中的前继和后继，以及条件队列中的后继引用等等。可以把同步队列和条件队列看成是排队区，每个结点看成是排队区的座位，将线程看成是排队的客人。客人刚来时会先去敲敲门，看看锁有没有开，如果锁没开它就会去排队区领取一个号码牌，声明自己想要以什么样的方式来持有锁，最后再到队列的末尾进行排队。

3. 怎样理解独占模式和共享模式？

前面讲到每个客人在排队前会领取一个号码牌，声明自己想要以什么样的方式来占有锁，占有锁的方式分为独占模式和共享模式，那么怎样来理解独占模式和共享模式呢？实在找不到什么好的比喻，大家可以联想一下公共厕所，独占模式的人比较霸道，老子要么就不进，进来了就不许别人再进了，自己一个人独自占用整个厕所。共享模式的人就没那么讲究了，当它发现这个厕所已经可以用了之后，它自己进来还不算，还得热心的问下后面的人介不介意一起用，如果后面的人不介意一起使用那就不用再排队了大家一起上就是了， 当然如果后面的人介意那就只好留在队列里继续排队了。

4. 怎样理解结点的等待状态？

我们还看到每个结点都有一个等待状态，这个等待状态分为CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE四种状态。可以将这个等待状态看作是挂在座位旁边的牌子，标识当前座位上的人的等待状态。这个牌子的状态不仅自己可以修改，其他人也可以修改。例如当这个线程在排队过程中已经打算放弃了，它就会将自己座位上的牌子设置为CANCELLED，这样其他人看到了就可以将它清理出队列。还有一种情况是，当线程在座位上要睡着之前，它怕自己睡过了头，就会将前面位置上的牌子改为SIGNAL，因为每个人在离开队列前都会回到自己座位上看一眼，如果看到牌子上状态为SIGNAL，它就会去唤醒下一个人。只有保证前面位置上的牌子为SIGNAL，当前线程才会安心的睡去。CONDITION状态表示该线程在条件队列中排队，PROPAGATE状态提醒后面来的线程可以直接获取锁，这个状态只在共享模式用到，后面单独讲共享模式的时候会讲到。

5. 结点进入同步队列时会进行哪些操作？

 1 //结点入队操作, 返回前一个结点
 2 private Node enq(final Node node) {
 3     for (;;) {
 4         //获取同步队列尾结点引用
 5         Node t = tail;
 6         //如果尾结点为空说明同步队列还没有初始化
 7         if (t == null) {
 8             //初始化同步队列
 9             if (compareAndSetHead(new Node())) {
10                 tail = head;
11             }
12         } else {
13             //1.指向当前尾结点
14             node.prev = t;
15             //2.设置当前结点为尾结点
16             if (compareAndSetTail(t, node)) {
17                 //3.将旧的尾结点的后继指向新的尾结点
18                 t.next = node;
19                 //for循环唯一的出口
20                 return t;
21             }
22         }
23     }
24 }

注意，入队操作使用一个死循环，只有成功将结点添加到同步队列尾部才会返回，返回结果是同步队列原先的尾结点。下图演示了整个操作过程。

读者需要注意添加尾结点的顺序，分为三步：指向尾结点，CAS更改尾结点，将旧尾结点的后继指向当前结点。在并发环境中这三步操作不一定能保证完成，所以在清空同步队列所有已取消的结点这一操作中，为了寻找非取消状态的结点，不是从前向后遍历而是从后向前遍历的。还有就是每个结点进入队列中时它的等待状态是为0，只有后继结点的线程需要挂起时才会将前面结点的等待状态改为SIGNAL。

注：以上全部分析基于JDK1.7，不同版本间会有差异，读者需要注意