我们常见的并发锁ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS实现的,所以说不懂AQS实现原理的,就不能说了解Java锁。
上篇文章讲了AQS的加锁流程,这篇文章再一块看一下AQS具体源码实现。
先回顾一下AQS的加锁流程
1. AQS加锁流程
AQS的加锁流程并不复杂,只要理解了同步队列和条件队列,以及它们之间的数据流转,就算彻底理解了AQS。
- 当多个线程竞争AQS锁时,如果有个线程获取到锁,就把ower线程设置为自己
- 没有竞争到锁的线程,在同步队列中阻塞(同步队列采用双向链表,尾插法)。
- 持有锁的线程调用await方法,释放锁,追加到条件队列的末尾(条件队列采用单链表,尾插法)。
- 持有锁的线程调用signal方法,唤醒条件队列的头节点,并转移到同步队列的末尾。
- 同步队列的头节点优先获取到锁
了解AQS加锁流程之后,再去看源码就容易理解了。
2. AQS的数据结构
// 继承自AbstractOwnableSynchronizer,为了记录哪个线程占用锁 public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer { // 同步状态,0表示无锁,每次加锁+1,释放锁-1 private volatile int state; // 同步队列的头尾节点 private transient volatile Node head; private transient volatile Node tail; // Node节点,用来包装线程,放到队列中 static final class Node { // 节点中的线程 volatile Thread thread; // 节点状态 volatile int waitStatus; // 同步队列的前驱节点和后继节点 volatile Node prev; volatile Node next; // 条件队列的后继节点 Node nextWaiter; } // 条件队列 public class ConditionObject implements Condition { // 条件队列的头尾节点 private transient Node firstWaiter; private transient Node lastWaiter; } }
首先AQS继承自AbstractOwnableSynchronizer,其实是为了记录哪个线程正在占用锁。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer { private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 设置占用锁的线程 protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; } protected final Thread getExclusiveOwnerThread() { return exclusiveOwnerThread; } }
无论是同步队列还是条件队列中线程都需要包装成Node节点。
虽然同步队列和条件队列都是由Node节点组成的,但是同步队列中是使用prev和next组成双向链表,nextWaiter只用来表示是共享模式还是排他模式。
条件队列没有使用到Node中prev和next属性,而是使用nextWaiter组成单链表。
这个复用对象的设计思想值得我们学习。
同步队列head节点是个哑节点,里面并没有存储线程对象。当然head节点也可以看成是给当前持有锁的线程使用的。
Node节点的状态(waitStatus)共有5种:
- 1 cancelled:表示线程已经被取消
- 0 初始化:Node节点的默认值
- -1 signal: 表示节点线程在释放锁后要唤醒同步队列中的下一个节点线程
- -2 condition: 当前节点在条件队列中
- -3 propagate: 释放共享资源的时候会向后传播释放其他共享节点(用于共享模式)
3. AQS方法概览
AQS支持独占和共享两种访问资源的模式(独占模式又叫排他模式)。
独占模式的方法:
// 加锁 acquire(); // 加可中断的锁 acquireInterruptibly(); // 一段时间内,加锁不成功,就不加了 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout); // 释放锁 release();
共享模式的方法:
// 加锁 acquireShared(); // 加可中断的锁 acquireSharedInterruptibly(); // 一段时间内,加锁不成功,就不加了 tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout); // 释放锁 releaseShared();
独占模式和共享模式的方法并没有实现具体的加锁、释放锁逻辑,AQS中只是定义了加锁、释放锁的抽象方法。
留给子类实现的抽象方法:
// 加独占锁 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 释放独占锁 protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 加共享锁 protected int tryAcquireShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 释放共享锁 protected boolean tryReleaseShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 判断是否是当前线程正在持有锁 protected boolean isHeldExclusively() { throw new UnsupportedOperationException(); }
这里就用到了设计模式中的模板模式,父类AQS定义了加锁、释放锁的流程,子类ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier负责实现具体的加锁、释放锁逻辑。
这不是个面试知识点吗?
面试官再问你,你看过哪些框架源码使用到了设计模式?
你就可以回答AQS源码中用到了模板模式,巴拉巴拉,妥妥的加分项!
4. AQS源码剖析
整个加锁流程如下:
先看一下加锁方法的源码:
4.1 加锁
// 加锁方法,传参是1 public final void acquire(int arg) { // 1. 首先尝试获取锁,如果获取成功,则设置state+1,exclusiveOwnerThread=currentThread(留给子类实现) if (!tryAcquire(arg) && // 2. 如果没有获取成功,把线程组装成Node节点,追加到同步队列末尾 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) { // 3. 加入同步队列后,将自己挂起 selfInterrupt(); } }
再看一下addWaiter方法源码,作用就是把线程组装成Node节点,追加到同步队列末尾。
// 追加到同步队列末尾,传参是共享模式or排他模式 private Node addWaiter(Node mode) { // 1. 组装成Node节点 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; // 2. 在多线程竞争不激烈的情况下,通过CAS方法追加到同步队列末尾 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } // 3. 在多线程竞争激烈的情况下,使用死循环保证追加到同步队列末尾 enq(node); return node; } // 创建Node节点,传参是线程,共享模式or排他模式 Node(Thread thread, Node mode) { this.thread = thread; this.nextWaiter = mode; } // 通过死循环的方式,追加到同步队列末尾 private Node enq(final Node node) { for (; ; ) { Node t = tail; if (t == null) { if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
再看一下addWaiter方法外层的acquireQueued方法,作用就是:
- 在追加到同步队列末尾后,再判断一下前驱节点是不是头节点。如果是,说明是第一个加入同步队列的,就再去尝试获取锁。
- 如果获取锁成功,就把自己设置成头节点。
- 如果前驱节点不是头节点,或者获取锁失败,就逆序遍历同步队列,找到可以将自己唤醒的节点。
- 最后才放心地将自己挂起
// 追加到同步队列末尾后,再次尝试获取锁 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (; ; ) { // 1. 找到前驱节点 final Node p = node.predecessor(); // 2. 如果前驱节点是头结点,就再次尝试获取锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 3. 获取锁成功后,把自己设置为头节点 setHead(node); p.next = null; failed = false; return interrupted; } // 4. 如果还是没有获取到锁,找到可以将自己唤醒的节点 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 5. 最后才放心地将自己挂起 parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法,是怎么找到将自己唤醒的节点的?为什么要找这个节点?
// 加入同步队列后,找到能将自己唤醒的节点 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 1. 如果前驱节点的状态已经是SIGNAL状态(释放锁后,需要唤醒后继节点),就无需操作了 if (ws == Node.SIGNAL) return true; // 2. 如果前驱节点的状态是已取消,就继续向前遍历 if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // 3. 找到了不是取消状态的节点,把该节点状态设置成SIGNAL compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
从代码中可以很清楚的看到,目的就是为了找到不是取消状态的节点,并把该节点的状态设置成SIGNAL。
状态是SIGNAL的节点,释放锁后,需要唤醒其后继节点。
简单理解就是:小弟初来乍到,特意来知会老大一声,有好事,多通知小弟。
再看一下释放锁的逻辑。
4.2 释放锁
释放锁的流程如下:
释放锁的代码逻辑比较简单:
// 释放锁 public final boolean release(int arg) { // 1. 先尝试释放锁,如果时候成功,则设置state-1,exclusiveOwnerThread=null(由子类实现) if (tryRelease(arg)) { Node h = head; // 2. 如果同步队列中还有其他节点,就唤醒下一个节点 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 3. 唤醒其后继节点 unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
再看一下唤醒后继节点的方法
// 唤醒后继节点 private void unparkSuccessor(Node node) { int ws = node.waitStatus; // 1. 如果头节点不是取消状态,就重置成初始状态 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); Node s = node.next; // 2. 如果后继节点是null或者是取消状态 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 3. 从队尾开始遍历,找到一个有效状态的节点 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 3. 唤醒这个有效节点 if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
4.3 await等待
await等待的流程:
持有锁的线程可以调用await方法,作用是:释放锁,并追加到条件队列末尾。
// 等待方法 public final void await() throws InterruptedException { // 如果线程已中断,则中断 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 1. 追加到条件队列末尾 Node node = addConditionWaiter(); // 2. 释放锁 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; // 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了,如果还在条件队列,就可以放心地挂起自己 while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } // 4. 如果已经转移到同步队列,就尝试获取锁 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // 5. 清除条件队列中已取消的节点 unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }
再看一下addConditionWaiter方法,是怎么追加到条件队列末尾的?
// 追加到条件队列末尾 private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; // 1. 清除已取消的节点,找到有效节点 if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } // 2. 创建Node节点,状态是-2(表示处于条件队列) Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); // 3. 追加到条件队列末尾 if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; }
4.4 signal唤醒
signal唤醒的流程:
唤醒条件队列的头节点,并追加到同步队列末尾。
// 唤醒条件队列的头节点 public final void signal() { // 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法 if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 2. 找到条件队列的头节点 Node first = firstWaiter; if (first != null) // 3. 开始唤醒 doSignal(first); } // 实际的唤醒方法 private void doSignal(Node first) { do { // 4. 从条件队列中移除头节点 if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; // 5. 使用死循环,一定要转移一个节点到同步队列 } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); }
到底是怎么转移到同步队列末尾的?
// 实际转移方法 final boolean transferForSignal(Node node) { // 1. 把节点状态从CONDITION改成0 if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; // 2. 使用死循环的方式,追加到同步队列末尾(前面已经讲过) Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; // 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL(通知他,别忘了唤醒老弟) if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
5. 总结
看完整个AQS的源码,是不是完全理解了AQS加锁、释放锁、以及同步队列和条件队列数据流转的逻辑了。
连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了,下篇带你一块学习ReentrantLock源码,应该就轻松多了。
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