再谈AbstractQueuedSynchronizer：基于AbstractQueuedSynchronizer的并发类实现

Posted 2020-09-26 五月的仓颉

公平模式ReentrantLock实现原理

前面的文章研究了AbstractQueuedSynchronizer的独占锁和共享锁，有了前两篇文章的基础，就可以乘胜追击，看一下基于AbstractQueuedSynchronizer的并发类是如何实现的。

ReentrantLock显然是一种独占锁，首先是公平模式的ReentrantLock，Sync是ReentractLock中的基础类，继承自AbstractQueuedSynchronizer，看一下代码实现：

 1 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 2     private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
 3 
 4     /**
 5      * Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
 6      * is to allow fast path for nonfair version.
 7      */
 8     abstract void lock();
 9 
10     /**
11      * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is
12      * implemented in subclasses, but both need nonfair
13      * try for trylock method.
14      */
15     final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
16         final Thread current = Thread.currentThread();
17         int c = getState();
18         if (c == 0) {
19             if (compareAndSetState(0, acquires)) {
20                 setExclusiveOwnerThread(current);
21                 return true;
22             }
23         }
24         else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
25             int nextc = c + acquires;
26             if (nextc < 0) // overflow
27                 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
28             setState(nextc);
29             return true;
30         }
31         return false;
32     }
33 
34     protected final boolean tryRelease(int releases) {
35         int c = getState() - releases;
36         if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
37             throw new IllegalMonitorStateException();
38         boolean free = false;
39         if (c == 0) {
40             free = true;
41             setExclusiveOwnerThread(null);
42         }
43         setState(c);
44         return free;
45     }
46 
47     protected final boolean isHeldExclusively() {
48         // While we must in general read state before owner,
49         // we don\'t need to do so to check if current thread is owner
50         return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
51     }
52 
53     final ConditionObject newCondition() {
54         return new ConditionObject();
55     }
56 
57     // Methods relayed from outer class
58 
59     final Thread getOwner() {
60         return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
61     }
62 
63     final int getHoldCount() {
64         return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
65     }
66 
67     final boolean isLocked() {
68         return getState() != 0;
69     }
70 
71     /**
72      * Reconstitutes this lock instance from a stream.
73      * @param s the stream
74      */
75     private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
76         throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
77         s.defaultReadObject();
78         setState(0); // reset to unlocked state
79     }
80 }

Sync属于一个公共类，它是抽象的说明Sync会被继承，简单整理一下Sync主要做了哪些事（因为Sync不是ReentrantLock公平锁的关键）：

1. 定义了一个lock方法让子类去实现，我们平时之所以能调用ReentrantLock的lock()方法，就是因为Sync定义了它
2. 实现了非公平锁tryAcquira的方法
3. 实现了tryRelease方法，比较简单，状态-1，独占锁的线程置空
4. 实现了isHeldExclusively方法
5. 定义了newCondition方法，让开发者可以利用Condition实现通知/等待

接着，看一下公平锁的实现，FairSync类，它继承自Sync：

 1 static final class FairSync extends Sync {
 2     private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
 3 
 4     final void lock() {
 5         acquire(1);
 6     }
 7 
 8     /**
 9      * Fair version of tryAcquire.  Don\'t grant access unless
10      * recursive call or no waiters or is first.
11      */
12     protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
13         final Thread current = Thread.currentThread();
14         int c = getState();
15         if (c == 0) {
16             if (!hasQueuedPredecessors() &&
17                 compareAndSetState(0, acquires)) {
18                 setExclusiveOwnerThread(current);
19                 return true;
20             }
21         }
22         else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
23             int nextc = c + acquires;
24             if (nextc < 0)
25                 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
26             setState(nextc);
27             return true;
28         }
29         return false;
30     }
31 }

整理一下要点：

1. 每次acquire的时候，state+1，如果当前线程lock()之后又lock()了，state不断+1，相应的unlock()的时候state-1，直到将state减到0为之，说明当前线程释放完所有的状态，其它线程可以竞争
2. state=0的时候，通过hasQueuedPredecessors方法做一次判断，hasQueuedPredecessors的实现为"h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());"，其中h是head、t是tail，由于代码中对结果取反，因此取反之后的判断为"h == t || ((s = h.next) != null && s.thread == Thread.currentThread());"，总结起来有两种情况可以通过!hasQueuedPredecessors()这个判断：
1. h==t，h==t的情况为要么当前FIFO队列中没有任何数据，要么只构建出了一个head还没往后面连过任何一个Node，因此head就是tail
2. (s = h.next) != null && s.thread == Thread.currentThread()，当前线程为正在等待的第一个Node中的线程　　
3. 如果没有线程比当前线程等待更久去执行acquire操作，那么通过CAS操作将state从0变为1的线程tryAcquire成功
4. 没有tryAcquire成功的线程，按照tryAcquire的先后顺序，构建为一个FIFO队列，即第一个tryAcquire失败的排在head的后一位，第二个tryAcquire失败的排在head的后二位
5. 当tryAcquire成功的线程release完毕，第一个tryAcquire失败的线程第一个尝试tryAcquire，这就是先到先得，典型的公平锁

 

非公平模式ReentrantLock实现原理

看完了公平模式ReentrantLock，接着我们看一下非公平模式ReentrantLock是如何实现的。NonfairSync类，同样是继承自Sync类，实现为：

 1 static final class NonfairSync extends Sync {
 2     private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
 3 
 4     /**
 5      * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
 6      * acquire on failure.
 7      */
 8     final void lock() {
 9         if (compareAndSetState(0, 1))
10             setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
11         else
12             acquire(1);
13     }
14 
15     protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
16         return nonfairTryAcquire(acquires);
17     }
18 }

结合nonfairTryAcquire方法一起讲解，nonfairTryAcquire方法的实现为：

 1 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
 2     final Thread current = Thread.currentThread();
 3     int c = getState();
 4     if (c == 0) {
 5         if (compareAndSetState(0, acquires)) {
 6             setExclusiveOwnerThread(current);
 7             return true;
 8         }
 9     }
10     else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
11         int nextc = c + acquires;
12         if (nextc < 0) // overflow
13             throw new Error("Maximum lock count exceeded");
14         setState(nextc);
15         return true;
16     }
17     return false;
18 }

看到差别就在于非公平锁lock()的时候会先尝试通过CAS看看能不能把state从0变为1（即获取锁），如果可以的话，直接获取锁而不需要排队。举个实际例子就很好理解了：

1. 线程1、线程2、线程3竞争锁，线程1竞争成功获取锁，线程2、线程3依次排队
2. 线程1执行完毕，释放锁，state变为0，唤醒了第一个排队的线程2
3. 此时线程4来尝试获取锁了，由于线程2被唤醒了，因此线程2与线程4竞争锁
4. 线程4成功将state从0变为1，线程2竞争锁失败，继续park

看到整个过程中，后来的线程4反而比先来的线程2先获取锁，相当于是一种非公平的模式，

那为什么非公平锁效率会比公平锁效率高？上面第（3）步如果线程2和线程4不竞争锁就是答案。为什么这么说，后面的解释很重要，希望大家可以理解：

线程1是先将state设为0，再去唤醒线程2，这两个过程之间是有时间差的。

那么如果线程1将state设置为0的时候，线程4就通过CAS算法获取到了锁，且在线程1唤醒线程2之前就已经使用完毕锁，那么相当于线程2获取锁的时间并没有推迟，在线程1将state设置为0到线程1唤醒线程2的这段时间里，反而有线程4获取了锁执行了任务，这就增加了系统的吞吐量，相当于单位时间处理了更多的任务。

从这段解释我们也应该能看出来了，非公平锁比较适合加锁时间比较短的任务。这是因为加锁时间长，相当于线程1将state设为0并去唤醒线程2的这段时间，线程4无法完成释放锁，那么线程2被唤醒由于没法获取到锁，又被阻塞了，这种唤醒-阻塞的操作会引起线程的上下文切换，继而影响系统的性能。

 

Semaphore实现原理

Semaphore即信号量，用于控制代码块的并发数，将Semaphore的permits设置为1相当于就是synchronized或者ReentrantLock，Semaphore具体用法可见Java多线程19：多线程下的其他组件之CountDownLatch、Semaphore、Exchanger。信号量允许多条线程获取锁，显然它的锁是一种共享锁，信号量也有公平模式与非公平模式，相信看懂了上面ReentrantLock的公平模式与非公平模式的朋友应该对Semaphore的公平模式与非公平模式理解起来会更快，这里就放在一起写了。

首先还是看一下Semaphore的基础设施，它和ReentrantLock一样，也有一个Sync：

 1 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 2     private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
 3 
 4     Sync(int permits) {
 5         setState(permits);
 6     }
 7 
 8     final int getPermits() {
 9         return getState();
10     }
11 
12     final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
13         for (;;) {
14             int available = getState();
15             int remaining = available - acquires;
16             if (remaining < 0 ||
17                 compareAndSetState(available, remaining))
18                 return remaining;
19         }
20     }
21 
22     protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
23         for (;;) {
24             int current = getState();
25             int next = current + releases;
26             if (next < current) // overflow
27                 throw new Error("Maximum permit count exceeded");
28             if (compareAndSetState(current, next))
29                 return true;
30         }
31     }
32 
33     final void reducePermits(int reductions) {
34         for (;;) {
35             int current = getState();
36             int next = current - reductions;
37             if (next > current) // underflow
38                 throw new Error("Permit count underflow");
39             if (compareAndSetState(current, next))
40                 return;
41         }
42     }
43 
44     final int drainPermits() {
45         for (;;) {
46             int current = getState();
47             if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
48                 return current;
49         }
50     }
51 }

和ReentrantLock的Sync差不多，Semaphore的Sync定义了以下的一些主要内容：

1. getPermits方法获取当前的许可剩余量还剩多少，即还有多少线程可以同时获得信号量
2. 定义了非公平信号量获取共享锁的逻辑nonfairTryAcquireShared
3. 定义了公平模式释放信号量的逻辑tryReleaseShared，相当于释放一次信号量，state就向上+1（信号量每次的获取与释放都是以1为单位的）

再看下公平信号量的实现，同样的FairSync，继承自Sync，代码为：

 1 static final class FairSync extends Sync {
 2     private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
 3 
 4     FairSync(int permits) {
 5         super(permits);
 6     }
 7 
 8     protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 9         for (;;) {
10             if (hasQueuedPredecessors())
11                 return -1;
12             int available = getState();
13             int remaining = available - acquires;
14             if (remaining < 0 ||
15                 compareAndSetState(available, remaining))
16                 return remaining;
17         }
18     }
19 }

首先第10行的hasQueuedPredecessors方法，前面已经说过了，如果已经有了FIFO队列或者当前线程不是FIFO队列中在等待的第一条线程，返回-1，表示无法获取共享锁成功。

接着获取available，available就是state，用volatile修饰，所以线程中可以看到最新的state，信号量的acquires是1，每次获取信号量都对state-1，两种情况直接返回：

1. remaining减完<0
2. 通过cas设置成功

之后就是和之前说过的共享锁的逻辑了，如果返回的是一个<0的数字，那么构建FIFO队列，线程阻塞，直到前面的执行完才能唤醒后面的。

接着看一下非公平信号量的实现，NonfairSync继承Sync：

 1 static final class NonfairSync extends Sync {
 2     private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
 3 
 4     NonfairSync(int permits) {
 5         super(permits);
 6     }
 7 
 8     protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 9         return nonfairTryAcquireShared(acquires);
10     }
11 }

nonfairTryAcquireShared在父类已经实现了，再贴一下代码：

1 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
2     for (;;) {
3         int available = getState();
4         int remaining = available - acquires;
5         if (remaining < 0 ||
6             compareAndSetState(available, remaining))
7             return remaining;
8     }
9 }

看到这里和公平Semaphore只有一点差别：不会前置进行一次hasQueuedPredecessors()判断。即当前有没有构建为一个FIFO队列，队列里面第一个等待的线程是不是自身都无所谓，对于非公平Semaphore都一样，反正线程调用Semaphore的acquire方法就将当前state-1，如果得到的remaining设置成功或者CAS操作成功就返回，这种操作没有遵循先到先得的原则，即非公平信号量。

至于非公平信号量对比公平信号量的优点，和ReentrantLock的非公平锁对比ReentrantLock的公平锁一样，就不说了。

 

CountDownLatch实现原理

CountDownLatch即计数器自减的一种闭锁，某线程阻塞，对一个计数器自减到0，此线程被唤醒，CountDownLatch具体用法可见Java多线程19：多线程下的其他组件之CountDownLatch、Semaphore、Exchanger。

CountDownLatch是一种共享锁，通过await()方法与countDown()两个方法实现自身的功能，首先看一下await()方法的实现：

 1 public void await() throws InterruptedException {
 2     sync.acquireSharedInterruptibly(1);
 3 }

acquireSharedInterruptibly最终又回到tryAcquireShared方法上，直接贴整个Sync的代码实现：

 1 private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 2     private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
 3 
 4     Sync(int count) {
 5         setState(count);
 6     }
 7 
 8     int getCount() {
 9         return getState();
10     }
11 
12     protected int tryAcquireShared(int acquires) {
13         return (getState() == 0) ? 1 : -1;
14     }
15 
16     protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
17         // Decrement count; signal when transition to zero
18         for (;;) {
19             int c = getState();
20             if (c == 0)
21                 return false;
22             int nextc = c-1;
23             if (compareAndSetState(c, nextc))
24                 return nextc == 0;
25         }
26     }
27 }

其实看到tryAcquireShared方法，理解AbstractQueuedSynchronizer共享锁原理的，不用看countDown方法应该都能猜countDown方法是如何实现的。我这里总结一下：

1. 传入一个count，state就等于count，await的时候判断是不是0，是0返回1表示成功，不是0返回-1表示失败，构建FIFO队列，head头只连接一个Node，Node中的线程就是调用CountDownLatch的await()方法的线程
2. 每次countDown的时候对state-1，直到state减到0的时候才算tryReleaseShared成功，tryReleaseShared成功，唤醒被挂起的线程

为了验证（2），看一下上面Sync的tryReleaseShared方法就可以了，确实是这么实现的。

 

再理解独占锁与共享锁的区别

本文详细分析了ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch的实现原理，第一个是基于独占锁的实现，后两个是基于共享锁的实现，从这三个类我们可以再总结一下独占锁与共享锁的区别，主要在两点上：

1. 独占锁同时只有一条线程可以acquire成功，共享锁同时可能有多条线程可以acquire成功，Semaphore是典型例子
2. 独占锁每次只能唤醒一个Node，共享锁每次唤醒的时候可以将状态向后传播，即可能唤醒多个Node，CountDownLatch是典型例子

带着这两个结论再看ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch，你一定会对独占锁与共享锁理解更深。