AbstractQueuedSynchronizer原理分析

Posted 2020-11-01 Ouka傅

 

　　AbstractQueuedSynchronized 以下简称AQS，是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架。

　　在AQS中，为锁的获取和释放提供了一些模板方法，而实现锁的类(AQS的子类)需要实现这些模板方法中的同步方法。

　　这些方法包括：

　　·tryAcquire()：尝试以独占模式获取锁

　　·tryRelease()：尝试释放独占模式的锁

　　·tryAcquireShared()：尝试以共享模式获取锁

　　·tryReleaseShared()：尝试释放共享模式的锁

　　·isHeldExclusiverly()：返回是否以独占模式获有锁

 

　　在分析AQS的原理之前，我们先看看LockSupport、Lock，Condition、AQS、ReentrantLok等等之间的关系和使用方式。

　　关系图：

             

 

 

　　使用方式有两种：一种是不带条件的普通的锁，另一种是带条件的锁。

　　不带条件：

　　　　　/*
         * ReentrantLock是Lock接口的实现类之一
         * 实现的是一种可重入的锁
         */
        Lock lock  = new ReentrantLock();
        lock.lock();
        try {
            //同步处理
        }finally {
            lock.unlock();
        }

　　带条件的锁：

Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();//创建和该锁关联的条件锁
    
    public void conditionWait() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void ConditionSignal() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
            condition.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

　　从使用方式可以看到，主要调用的方法就是：lock.lock()、lock.unlock()、lock.newCondition()、condition.await()、condition.signal() 

　　

下面分别来看看这几个方法：

　　lock.lock():由于Lock是一个接口，所以需要通过其子类来实例化，所以lock.lock()其实调用的是子类的lock()方法，在上面的例子中自然调用的就是ReentrantLock.lock()方法。

    public void lock() {
        sync.lock();
    }

 　　可以看到，ReentrantLock.lock()方法调用的是同步器内部类的lock()方法，而ReentrantLock的内部同步器类Sync又分为FairSync和NoFairSync。

　　源码如下(省略了一部分内容)：

   abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        
        abstract void lock();
   }
    static final class NonfairSync extends Sync {
     
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
    }

    static final class FairSync extends Sync {
     final void lock() {
            acquire(1);
        }
    }

　　可以看到在非公平的获取锁的方法中，会首先尝试直接去获取锁，而不会通过同步队列去排队获取锁。否则的话，就通过AQS同步器的acquire(1)去获取锁。

　　※RetrantLock在初始化的时候可以通过参数指定是公平的还是不公平的锁。默认是非公平的锁。

 

　　lock.unlock()：调用的是同步器中的release(1)方法，也就是AQS中的release(1)方法。

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

 

　　lock.newCondition()：该方法调用的也是内部同步器类中的newCondition()方法。

    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

　　在ReentrantLock的内部同步器类中的newCondition()方法如下：

        final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }

　　可以看到，该方法直接返回了一个AQS中的内部类ConditonObject对象。所以，在每次生成一个条件锁的时候，都会创建一个ConditionObject对象，

　　而每个ConditionObject对象都会在内部维护一个条件等待队列。

 

　　ConditonObject实现分析点此参考

 

　　conditon.await():通过调用LockSupport中的park()方法，将当前挂起。

　　源码如下：

       public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

 

　　condition.signal():通过调用LockSupport的unpark()方法，来唤醒线程。

　　源码如下:

        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }

  final boolean transferForSignal(Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

 

　　了解完上面的概述之后，我们知道了，在不带条件的锁中，主要是通过调用AQS中的acquire(1)herelease(1)方法来获取锁和释放锁的。

下面就来具体看看AQS中的实现

　　在AQS中通过一个双向FIFO同步队列来维护获取对象锁的线程，当获取锁失败的时候，会用当前线程构建一个Node节点，加入到同步队列中去。

　　在AQS中维护了同步队列的head和tail节点，和同步状态。。

　　Node节点中维护了当前线程的status和前驱节点、后继节点、下一个等待节点(条件等待的时候用)。

　　waitStatus包含如下状态默认值为0：

　　　　CANCELLED = 1 ： 表示当前线程在等待的时候已经超时了或者被取消了

　　　　SIGNAL = -1　　：当前线程释放了同步状态或者被取消的时候会通知后继节点，使后继节点得以运行

　　　　CONDITINO = -2：节点在等待队列中，等待Condition，当其他线程在Condition上调用signal的时候，该线程会从等待队列转移到同步队列中去，加入到同步状态的获取。

　　　　PROPAGATE = -3：表示下一次共享式同步状态会无条件的传播下去

 

　　AQS中同步器的结构如下：

　　

　　当有节点加入到同步队列的时候，只需要对tail节点重新指向就可以了

 

 　　同步队列是一个FIFO的队列，在获取锁的时候总是首节点是获取同步状态的节点，首节点的线程在释放同步状态时，将会唤醒后继节点，而后继节点在获取同步状态成功时，会将自己设置为首节点。

 

　下面就来具体看看在获取锁的时候lock.lock()调用的同步器中的acquire（1）方法的具体实现。

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

 

　　以独占模式获取锁，并且不相应中断。在AQS中还有以下acquire方法：

　　　　acquireInterruptibly(int arg) :以独占模式获取锁，并且响应中断

　　　　acquireShared(int arg):以共享模式获取锁，并且不响应中断

　　　　acquireSharedInterruptibly(int arg):以共享模式获取锁，并且响应中断

 

　　该方法首先会调用tryAcquire(arg)来尝试获取锁。从源码可以看到，在AQS中该方法只是单纯的抛出一个UnsupportedOperationException异常，该方法需要实现AQS同步器的具体类中实现。

    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

 

　　我们看看ReentrantLock中的具体实现。

　　非公平锁：

        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {　　//如果当前的同步状态为0，就尝试直接设置同步状态和设置独占的线程为自己，来强制获取锁
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {　　//如果当前同步状态不为0，就判断是不是自己获取了锁，这里是实现可重入的
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

 

　　公平锁：

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {　　
                if (!hasQueuedPredecessors() &&　　//当前state为0 ，并且同步队列中没有前继节点，就尝试设置自己为获得锁的线程
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {　　//实现可重入
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

 　　可以看到，不论是在公平锁还是非公平锁的tryAcquire中，当获取到锁的时候返回的都是true，否则返回false。

　　所以，如果当前线程没有获取到锁的时候，则会继续执行后面的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE),arg))

　　我们先看看addWaiter（Node.EXCLUSIVE）的实现。

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 首先为当前线程以指定模式构建一个Node节点，然后尝试快速入队的方式加入到同步队列中去
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);　　//否则的话就调用enq(node)方法来加入到同步队列中去
        return node;
    }

 

　　再看看enq(node)的源码实现

    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {　　//通过一个无条件的循环，知道将构建一个空的head，然后将当前节点加入到空的head的后面，构成一个同步队列
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

 

　　再看看acquireQueued(node,int)的源码实现

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {　　//判断前一个节点是不是head节点，如果是的话，则会再次尝试去获取锁
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&　　//如果前一个节点不是head节点，则设置前一个非取消节点的状态是signal，以确保在前一个线程释放锁的时候能唤醒当前线程
                    parkAndCheckInterrupt())　　//挂起当前线程，并且返回当前线程是否被中断过(会清空中断状态，只有在被唤醒的时候才能从park（）方法返回)
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);　　//如果被中断过，则把该节点从同步队列中删除
        }
    }

 

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don\'t park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

    private void cancelAcquire(Node node) {
        // Ignore if node doesn\'t exist
        if (node == null)
            return;

        node.thread = null;

        // Skip cancelled predecessors
        Node pred = node.prev;
        while (pred.waitStatus > 0)
            node.prev = pred = pred.prev;

        // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
        // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
        // or signal, so no further action is necessary.
        Node predNext = pred.next;

        // Can use unconditional write instead of CAS here.
        // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
        // Before, we are free of interference from other threads.
        node.waitStatus = Node.CANCELLED;

        // If we are the tail, remove ourselves.
        if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
            compareAndSetNext(pred, predNext, null);
        } else {
            // If successor needs signal, try to set pred\'s next-link
            // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
            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
        }
    }

 

 　　acquire（1）的总结：

　　　①首先会去调用子类实现的具体tryAcquire(1)方法来获取锁，根据子类不同，实现的也不同，例如ReentrantLock中的实现就分为公平锁和非公平锁。非公平锁就是不会去同步队列中排队，

　　而是直接去获取锁。如果获取失败的话，就会跟公平锁一样，进入FIFO的同步队列排队。

　　　②加入同步队列的时候，首先会判断tail节点是否为空，如果不为空，则会尝试快速入队，如果为空的话，则会先创建一个空的head节点，然后在将当前线程的节点加入到同步队列中去

　　　③加入到同步队列之后，会再次判断前一个节点是不是head节点，如果是的话，则会再次尝试去获取锁，如果获取失败的话，则会挂起当前线程。

　　　④直到当前线程被唤醒的时候，会判断当前线程是否被中断过，如果被中断过，则会从同步队列中删除当前线程节点。并且中断当前线程。

 

　　下面在看看lock.unlock（）方法调用的同步器中的sync.release(1)方法的具体实现

 

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

 

　　首先会调用tryRelease（arg）方法来释放锁。然后唤醒后面的线程。

    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

　　tryRelease()同样也是子类需要实现的方法。ReentrantLock中的实现如下：

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

 

　　

   private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

 

　　

　　release(1)的总结：

　　①首先会判断当前线程是不是独占的拥有锁。如果是的话，则会去释放锁。如果当前线程都已经退出了获取锁（可重入的原因），则会设置当前线程的state为0，独占线程为null

　　②在释放锁之后，会唤醒下一个等待中的线程。

 

　　

　　AQS中条件队列的实现方式参考ConditonObject实现分析点此参考