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三分鐘帶你搞懂 AQS 原理設計

來源: 責編: 時間:2024-01-15 09:21:39 204觀看
導讀一、摘要在之前的文章中,我們介紹了 ReentrantLock、ReadWriteLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ThreadPoolExecutor 等并發工具類的使用方式,它們在請求共享資源的時候,都能實現線程同步的效果。在使用

一、摘要

在之前的文章中,我們介紹了 ReentrantLock、ReadWriteLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ThreadPoolExecutor 等并發工具類的使用方式,它們在請求共享資源的時候,都能實現線程同步的效果。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

在使用方式上稍有不同,有的是獨占式,多個線程競爭時只有一個線程能執行方法,比如 ReentrantLock 等;有的是共享式,多個線程可以同時執行方法,比如:ReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore 等,不同的實現爭用共享資源的方式也不同。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果仔細閱讀源碼,會發現它們都是基于AbstractQueuedSynchronizer這個抽象類實現的,我們簡稱 AQS。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

AQS 是一個提供了原子式管理同步狀態、阻塞和喚醒線程功能的框架,是除了 Java 自帶的synchronized關鍵字之外的鎖實現機制。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

可以這么說,AQS是JUC包下線程同步類的基石,也是很多面試官喜歡提問的話題,掌握AQS原理對我們深入理解線程同步技術有著非常重要的意義。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

本文以ReentrantLock作為切入點,來解讀AQS相關的知識點,最后配上簡單的應用示例來幫助大家理解 AQS,如果有描述不對的地方,歡迎大家留言指出,不勝感激!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

二、ReentrantLock

在之前的線程系列文章中,我們介紹了ReentrantLock的基本用法,它是一個可重入的互斥鎖,它具有與使用synchronized關鍵字一樣的效果,并且功能更加強大,編程更加靈活,支持公平鎖和非公平鎖兩種模式。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

使用方式也非常簡單,只需要在相應的代碼上調用加鎖和釋放鎖方法即可,簡單示例如下!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public class Counter {    // 默認非公平鎖模式    private final Lock lock = new ReentrantLock();    public void add() {        // 加鎖        lock.lock();        try {            // 具體業務邏輯...        } finally {            // 釋放鎖            lock.unlock();        }    }}

如果閱讀lock()和unlock()方法,會發現它的底層都是由AQS來實現的。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

下面,我們一起來看看這兩個方法的源碼實現,本文源碼內容摘取自 JDK 1.8 版本,可能不同的版本略有區別!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

2.1、lock 方法源碼

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {        // 同步鎖實現類    private final Sync sync;    public ReentrantLock() {        // 默認構造方法為非公平鎖實現類        sync = new NonfairSync();    }    public ReentrantLock(boolean fair) {        // true:公平鎖實現類,false:非公平鎖實現類        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();    }    public void lock() {        // 加鎖操作        sync.lock();    }    // 非公平鎖實現類    static final class NonfairSync extends Sync {         // 加鎖操作        final void lock() {            if (compareAndSetState(0, 1))                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());            else                acquire(1);        }    }    // 公平鎖實現類    static final class FairSync extends Sync {        // 加鎖操作        final void lock() {            acquire(1);        }    }    // 公平鎖和非公平鎖,都繼承自 AQS    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        // lock 抽象方法        abstract void lock();    }}

從源碼上可以清晰的看到,當初始化ReentrantLock對象時,需要指定鎖的模式。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

默認構造方法是非公平鎖模式,采用的是NonfairSync內部實現類;公平鎖模式下,則采用的是FairSync內部實現類;這兩個內部實現類都繼承了Sync抽象類;同時,Sync也繼承了AbstractQueuedSynchronizer,也就是我們上文提到的AQS。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果把lock()方法的請求鏈路進行抽象,可以用如下圖進行簡要概括。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

圖片圖片ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

無論是非公平鎖模式還是公平鎖模式,可能最終都會調用AQS的acquire()方法,它表示通過獨占式的方式加鎖,我們繼續往下看這個方法的源碼,部分核心代碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {    // 通過獨占式的方式加鎖    public final void acquire(int arg) {        // 嘗試加鎖,會回調具體的實現類        if (!tryAcquire(arg) &&            // 如果嘗試加鎖失敗,將當前線程加入等待隊列            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))            selfInterrupt();    }    // 由子類完成加鎖邏輯的實現,支持重寫該方法    protected boolean tryAcquire(int arg) {        throw new UnsupportedOperationException();    }}

從AQS的源碼上可以看出,acquire()方法并不進行具體加鎖邏輯的實現,而是通過具體的實現類重寫tryAcquire()方法來完成加鎖操作,如果加鎖失敗,會將當前線程加入等待隊列。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果是非公平鎖模式,會回調ReentrantLock類的NonfairSync.tryAcquire()方法;如果是公平鎖模式,會回調ReentrantLock類的FairSync.tryAcquire()方法,我們繼續回看ReentrantLock類的源碼。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

非公平鎖NonfairSync靜態內部實現類,相關的源碼如下!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

// 非公平鎖實現類static final class NonfairSync extends Sync {     // 加鎖操作    final void lock() {        if (compareAndSetState(0, 1))            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());        else            acquire(1);    }    // 嘗試非公平方式加鎖,重寫父類 tryAcquire 方法    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {        final Thread current = Thread.currentThread();        int c = getState();        if (c == 0) {            // 采用CAS方式修改線程同步狀態,如果成功返回true            if (compareAndSetState(0, acquires)) {                setExclusiveOwnerThread(current);                return true;            }        }        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {            // 支持當前線程,重復獲得鎖,將state值加1            int nextc = c + acquires;            if (nextc < 0)                throw new Error("Maximum lock count exceeded");            setState(nextc);            return true;        }        return false;    }}

公平鎖FairSync靜態內部實現類,相關的源碼如下!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

// 公平鎖實現類static final class FairSync extends Sync {    // 加鎖操作    final void lock() {        acquire(1);    }    // 嘗試公平方式加鎖,重寫父類 tryAcquire 方法    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {        final Thread current = Thread.currentThread();        int c = getState();        if (c == 0) {            // 1)判斷等待隊列是否有線程處于等待狀態,如果沒有,嘗試獲取鎖;如果有,就進入等待隊列            // 2)采用CAS方式修改線程同步狀態,如果成功返回true            if (!hasQueuedPredecessors() &&                compareAndSetState(0, acquires)) {                setExclusiveOwnerThread(current);                return true;            }        }        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {            // 支持當前線程,重復獲得鎖,將state值加1            int nextc = c + acquires;            if (nextc < 0)                throw new Error("Maximum lock count exceeded");            setState(nextc);            return true;        }        return false;    }}

從源碼上可以清晰的看到,無論是是公平鎖還是非公平鎖模式,都是采用compareAndSetState()方法(簡稱CAS)進行加鎖,如果成功就返回true;同時支持當前線程重復獲得鎖,也就是之前提到的鎖可重入機制。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

唯一的區別在于:公平鎖實現類多了一個hasQueuedPredecessors()方法判斷,它的用途是判斷等待隊列是否有線程處于等待狀態,如果沒有,嘗試獲取鎖;如果有,就將當前線程存入等待隊列,依此排隊,從而保證線程通過公平方式獲取鎖的目的。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

關于 CAS 實現原理,在之前的并發原子類文章中已經有所介紹,通過它加上volatile修飾符可以實現一個無鎖的線程安全訪問操作,本文不再重復解讀,有興趣的朋友可以翻閱之前的文章。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

2.2、unlock 方法源碼

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {    // 同步鎖實現類    private final Sync sync;    public void unlock() {        // 釋放鎖操作        sync.release(1);    }}

unlock()方法的釋放鎖實現相對來說就簡單多了,整個請求鏈路可以用如下圖進行簡要概括。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

當調用unlock()方法時,會直接跳轉到AQS的release()方法上,AQS相關的源碼如下!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {    // 釋放鎖操作    public final boolean release(int arg) {        // 嘗試釋放鎖        if (tryRelease(arg)) {            // 從隊列頭部中獲取一個等待線程,并進行喚醒操作            Node h = head;            if (h != null && h.waitStatus != 0)                unparkSuccessor(h);            return true;        }        return false;    }    // 由子類完成釋放鎖邏輯的實現,支持重寫該方法    protected boolean tryRelease(int arg) {        throw new UnsupportedOperationException();    }}

與加鎖操作類似,AQS的release()方法并不進行具體釋放鎖邏輯的實現,而是通過具體的實現類重寫tryRelease()方法來完成釋放鎖操作,如果釋放鎖成功,會從隊列頭部中獲取一個等待線程,并進行喚醒操作。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

我們繼續回看ReentrantLock類的Sync.tryRelease()釋放鎖方法,部分核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {    // 嘗試釋放鎖    protected final boolean tryRelease(int releases) {        // 將state值進行減1操作        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;    }}

相比加鎖過程,釋放鎖要簡單的多,主要是將線程的同步狀態值進行自減操作。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

三、AQS 原理淺析

如果仔細的研究 AQS 的源碼,盡管實現上很復雜,但是也有規律可循。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

從上到下,整個框架可以分為五層,架構可以用如下圖來描述!(圖片來自ReentrantLock 的實現看 AQS 的原理及應用 - 美團技術團隊)ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

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當有自定義線程同步器接入AQS時,只需要按需重寫第一層的方法即可,不需要關心底層的實現。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

以加鎖為例,當調用AQS的 API 層獲取鎖方法時,會先嘗試進行加鎖操作(具體邏輯由實現類完成),如果加鎖失敗,會進入等待隊列處理環節,這些處理邏輯同時也依賴最底層的基礎數據提供層來完成。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

3.1、原理概述

整個AQS實現線程同步的核心思想,可以用如下這段話來描述!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

AQS 內部維護一個共享資源變量和線程等待隊列,如果被請求的共享資源空閑,那么就將當前請求資源的線程設置為有效的工作線程,將共享資源設置為鎖定狀態;如果共享資源被占用,就需要一定的阻塞等待喚醒機制來保證鎖分配。這個機制主要用的是 CLH 隊列的變體實現的,將暫時獲取不到鎖的線程加入到等待隊列中,待條件允許的時候將線程從隊列中取出并進行喚醒。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

CLH 隊列是一個單向鏈表隊列,對應的還有 CLH 鎖實現,它是一個基于邏輯隊列非線程饑餓的一種自旋公平鎖實現,由 Craig、Landin 和 Hagersten 三位大佬發明,因此命名為 CLH 鎖。關于這方面的技術知識講解可以參閱這篇文章:多圖詳解 CLH 鎖的原理與實現。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

而AQS中的隊列采用的是 CLH 變體的虛擬雙向隊列,通過將每一條請求共享資源的線程封裝成一個 CLH 隊列的一個節點來實現鎖的分配。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

具體實現原理,可以用如下圖來簡單概括:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

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同時,AQS中維護了一個共享資源變量state,通過它來實現線程的同步狀態控制,這個字段使用了volatile關鍵字修飾符來保證多線程下的可見性。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

當多個線程嘗試獲取鎖時,會通過CAS方式來修改state值,當state=1時表示當前對象鎖已經被占有(相對獨占模式來說),此時其他線程來加鎖時會失敗,加鎖失敗的線程會被放入上文說到的FIFO等待隊列中,并且線程會被掛起,等待其他獲取鎖的線程釋放鎖才能夠被喚醒。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

總結下來,用大白話說就是,AQS是基于 CLH 隊列,使用volatile修飾共享變量state,線程通過CAS方式去改變state狀態值,如果成功則獲取鎖成功,失敗則進入等待隊列,等待被喚醒的線程同步器框架。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

打開 ReentrantLock、ReadWriteLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 等類的源碼實現,你會發現它們的線程同步狀態都是基于AQS實現的,可以看成是AQS的衍生物。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

下面我們一起來看看相關的源碼實現!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

3.2、源碼淺析

3.2.1、線程同步狀態控制

AQS源碼中維護的共享資源變量state,表示同步狀態的意思,它是實現線程同步控制的關鍵字段,核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

/** * The synchronization state. */private volatile int state;

針對state字段值的獲取和修改,AQS提供了三個方法,并且都采用Final修飾,意味著子類無法重寫它們,相關方法如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

方法
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描述
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protected final int getState()
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獲取state的值ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

protected final void setState(int newState)
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設置state的值ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update)
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使用 CAS 方式更新stateItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果仔細分析源碼,state字段還有一個很大的用處,通過它可以實現多線程的獨占模式和共享模式。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

以ReentrantLock和Semaphore類為例,它們的加鎖過程中state值的變化情況如下。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

3.2.1.1、ReentrantLock 獨占模式的獲取鎖,簡易流程圖如下:

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ReentrantLock類部分核心源碼,實現邏輯如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {    // 非公平鎖實現類    static final class NonfairSync extends Sync {        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;        // 加鎖操作        final void lock() {            // 將state從0設置為1,如果成功,直接獲取當前共享資源            if (compareAndSetState(0, 1))                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());            else                // 嘗試加鎖,會轉調tryAcquire方法                acquire(1);        }        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            final Thread current = Thread.currentThread();            int c = getState();            // 判斷state是否等于0            if (c == 0) {                // 嘗試state從0設置為1,如果成功,返回true                if (compareAndSetState(0, acquires)) {                    setExclusiveOwnerThread(current);                    return true;                }            }            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {                // 支持當前線程可重入,每調用一次,state的值加1                int nextc = c + acquires;                if (nextc < 0)                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");                setState(nextc);                return true;            }            return false;        }    }}
3.2.1.2、Semaphore 共享模式的獲取鎖,簡易流程圖如下:

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Semaphore類部分核心源碼,實現邏輯如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public class Semaphore implements java.io.Serializable {    // 初始化的時候,設置線程最大并發數,本質設置的是state的值    public Semaphore(int permits) {        sync = new NonfairSync(permits);    }    // 非公平鎖內部實現類    static final class NonfairSync extends Sync {        NonfairSync(int permits) {            // 設置state的值            setState(permits);        }        // 通過共享方式,嘗試獲取鎖        protected int tryAcquireShared(int acquires) {            return nonfairTryAcquireShared(acquires);        }    }    // 嘗試獲取共享資源,會調用Sync.nonfairTryAcquireShared方法    public boolean tryAcquire() {        // 如果state的值小于0,表示無可用共享資源        return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;    }    // 抽象同步類    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        // 通過共享方式,嘗試獲取鎖        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {            for (;;) {                // 通過cas方式,設置state自減                int available = getState();                int remaining = available - acquires;                if (remaining < 0 ||                    compareAndSetState(available, remaining))                    return remaining;            }        }    }}
3.2.2、公平鎖和非公平鎖實現

在上文的ReentrantLock源碼分析過程中,對于公平鎖和非公平鎖實現,其實已經有所解讀。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

在AQS中所有的加鎖邏輯是有具有的實現類來完成,以ReentrantLock類為例,它的加鎖邏輯由兩個實現類來完成,分別是非公平鎖靜態內部實現類NonfairSync和公平鎖靜態內部實現類FairSync。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如上文的源碼介紹,這兩個類的的加鎖邏輯基本一致,唯一的區別在于:公平鎖實現類加鎖時,增加了一個hasQueuedPredecessors()方法判斷,這個方法會判斷等待隊列是否有線程處于等待狀態,如果沒有,嘗試獲取鎖;如果有,就進入等待隊列。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

簡單的說就是,非公平鎖實現類的加鎖方式,如果有線程嘗試獲取鎖,直接嘗試通過CAS方式進行搶鎖,如果搶成功了,就直接獲取鎖,沒有搶成功就進入等待隊列;而公平鎖實現類的加鎖方式,會判斷等待隊列是否有線程處于等待狀態,如果有則不去搶鎖,乖乖排到后面,如果沒有則嘗試搶鎖。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

相對來說,非公平鎖會有更好的性能,因為它的吞吐量比較大。其次,非公平鎖讓獲取鎖的時間變得更加不確定,可能會導致在阻塞隊列中的線程長期處于饑餓狀態。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

Semaphore類的公平鎖和非公平鎖實現也類似,擁有兩個靜態內部實現類,源碼就不再解讀了,有興趣的朋友可以自行閱讀。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

3.2.3、主要模板方法

從ReentrantLock的源碼實現中可以看出,AQS使用了模板方法設計模式,它不提供加鎖和釋放鎖的具體邏輯實現,而是由實現類重寫對應的方法來完成,這樣的好處就是實現更加的靈活,不同的線程同步器可以自行繼承AQS類,然后實現獨屬于自身的加鎖和解鎖功能。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

常用的模板方法主要有以下幾個:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

方法
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描述
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protected boolean isHeldExclusively()
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判斷該線程是否正在獨占資源。只有用到Condition才需要去實現它ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

protected boolean tryAcquire(int arg)
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獨占方式。嘗試獲取資源,arg為獲取鎖的次數,成功則返回true,失敗則返回falseItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

protected boolean tryRelease(int arg)
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獨占方式。嘗試釋放資源,arg為釋放鎖的次數,成功則返回true,失敗則返回falseItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

protected int tryAcquireShared(int arg)
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共享方式。嘗試獲取資源,arg為獲取鎖的次數,負數表示失敗;0表示成功,但沒有剩余可用資源;正數表示成功,且有剩余資源ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

protected boolean tryReleaseShared(int arg)
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共享方式。嘗試釋放資源,arg為釋放鎖的次數,如果釋放后允許喚醒后續等待結點返回true,否則返回falseItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

通常自定義線程同步器,要么是獨占模式,要么是共享模式。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果是獨占模式,重寫tryAcquire()和tryRelease()方法即可,比如 ReentrantLock 類。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果是共享模式,重寫tryAcquireShared()和tryReleaseShared()方法即可,比如 Semaphore 類。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

3.2.4、線程加入等待隊列實現

當線程調用tryAcquire()方法獲取鎖失敗之后,就會調用addWaiter()方法,將當前線程加入到等待隊列中去。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

addWaiter()方法,部分核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {    // 將當前線程加入等待隊列    private Node addWaiter(Node mode) {        // 以當前線程構造一個節點,嘗試通過CAS方式插入到雙向鏈表的隊尾        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);        Node pred = tail;        if (pred != null) {            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {                pred.next = node;                return node;            }        }        // 如果插入沒有成功,則通過enq入隊        enq(node);        return node;    }    // 通過enq入隊    private Node enq(final Node node) {        // CAS 自旋方式,直到成功加入隊尾        for (;;) {            Node t = tail;            if (t == null) {                 // 隊列為空,創建一個空結點作為head結點,并將tail也指向它                if (compareAndSetHead(new Node()))                    tail = head;            } else {                node.prev = t;                if (compareAndSetTail(t, node)) {                    t.next = node;                    return t;                }            }        }    }}

我們再來看看Node類節點相關的屬性,部分核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

static final class Node {    // 當前節點在隊列中的狀態,狀態值枚舉含義如下:    // 0:節點初始化時的狀態    // 1: 表示節點引用線程由于等待超時或被打斷時的狀態    // -1: 表示當隊列中加入后繼節點被掛起時,其前驅節點會被設置為SIGNAL狀態,表示該節點需要被喚醒    // -2:當節點線程進入condition隊列時的狀態    // -3:僅在釋放共享鎖releaseShared時對頭節點使用    volatile int waitStatus;    // 前驅節點    volatile Node prev;    // 后繼節點    volatile Node next;    //該節點的線程實例    volatile Thread thread;    // 指向下一個處于Condition狀態的節點(用于條件隊列)    Node nextWaiter;    //...}

可以很清晰的看到,每個關鍵屬性變量都加了volatile修飾符,確保多線程環境下可見。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

正如上文所介紹的,Node其實是一個雙向鏈表數據結構,大致的數據結構圖如下!(圖片來自ReentrantLock 的實現看 AQS 的原理及應用 - 美團技術團隊)ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

圖片圖片ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

其中第一個節點,也叫頭節點,為虛節點,并不存儲任何線程信息,只是占位用;真正有數據的是從第二個節點開始,當有線程需要加入等待隊列時,會向隊尾進行插入。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

線程加入等待隊列之后,會再次調用acquireQueued()方法,嘗試進行獲取鎖,如果成功或者中斷就退出,部分核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {    // 標記是否成功拿到鎖    boolean failed = true;    try {        // 標記等待過程中是否中斷過        boolean interrupted = false;        // 開始自旋,要么獲取鎖,要么中斷        for (;;) {            // 獲取當前節點的前驅節點            final Node p = node.predecessor();            // 如果p是頭結點,說明當前節點在等待隊列的頭部,嘗試獲取鎖(頭結點是虛節點)            if (p == head && tryAcquire(arg)) {                // 獲取鎖成功,頭指針移動到當前node                setHead(node);                p.next = null; // help GC                failed = false;                return interrupted;            }            // 如果p不是頭節點或者是頭節點但獲取鎖失敗,判斷當前節點是否要進入阻塞,如果滿足要求,就通過park讓線程進入阻塞狀態,等待被喚醒            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                parkAndCheckInterrupt())                interrupted = true;        }    } finally {        if (failed)            // 如果沒有成功獲取鎖(比如超時或者被中斷),那么取消節點在隊列中的等待            cancelAcquire(node);    }}

線程加入等待隊列實現,總結下來,大致步驟如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

  • 1.調用addWaiter()方法,將當前線程封裝成一個節點,嘗試通過CAS方式插入到雙向鏈表的隊尾,如果沒有成功,再通過自旋方式插入,直到成功為止
  • 2.調用acquireQueued()方法,對在等待隊列中排隊的線程,嘗試獲取鎖操作,如果失敗,判斷當前節點是否要進入阻塞,如果滿足要求,就通過 LockSupport.park()方法讓線程進入阻塞狀態,并檢查是否被中斷,如果沒有,等待被喚醒
3.2.5、線程從等待隊列中被喚醒實現

當線程調用tryRelease()方法釋放鎖成功之后,會從等待隊列的頭部開始,獲取排隊的線程,并進行喚醒操作。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

釋放鎖方法,部分核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public final boolean release(int arg) {    // 嘗試釋放鎖    if (tryRelease(arg)) {        // 獲取頭部節點        Node h = head;        if (h != null && h.waitStatus != 0)            // 嘗試喚醒頭部節點的下一個節點中的線程            unparkSuccessor(h);        return true;    }    return false;}

其中unparkSuccessor()是執行喚醒線程的核心方法,部分核心源碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

private void unparkSuccessor(Node node) {    // 獲取頭結點 waitStatus    int ws = node.waitStatus;    // 置零當前線程所在的結點狀態,允許失敗    if (ws < 0)        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);    // 獲取當前節點的下一個節點s    Node s = node.next;    // 如果下個節點是null或者被取消,就從隊列尾部依此尋找節點    if (s == null || s.waitStatus > 0) {        s = null;        // 從尾部節點開始向前找,找到隊列中排在最前的有效節點        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)            if (t.waitStatus <= 0)                s = t;    }    // 將當前節點的下一個節點中的線程,進行喚醒操作    if (s != null)        LockSupport.unpark(s.thread);}

線程從等待隊列中被喚醒實現,總結下來,大致步驟如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

  • 1.當線程調用tryRelease()方法釋放鎖成功之后,會從等待隊列獲取排隊的線程
  • 2.如果隊列的頭節點的下一個節點有效,會嘗試進行喚醒節點中的線程;如果為空或者被取消,就從隊列尾部依此尋找節點,找到隊列中排在最前的有效節點,并嘗試進行喚醒操作

四、簡單應用

了解完AQS基本原理之后,按照以上的知識點,我們可以自己實現一個不可重入的互斥鎖線程同步類。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

示例代碼如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public class MutexLock {    // 自定義同步器    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        // 判斷是否鎖定狀態        @Override        protected boolean isHeldExclusively() {            return getState() == 1;        }        // 嘗試獲取資源,立即返回。成功則返回true,否則false。        @Override        protected boolean tryAcquire(int acquires) {            //state為0才設置為1,不支持重入!            if (compareAndSetState(0, 1)) {                //設置為當前線程獨占資源                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                return true;            }            return false;        }        // 嘗試釋放資源,立即返回。成功則為true,否則false。        @Override        protected boolean tryRelease(int releases) {            // 判斷資源是否已被釋放            if (getState() == 0)                throw new IllegalMonitorStateException();            setExclusiveOwnerThread(null);            //釋放資源,放棄占有狀態            setState(0);            return true;        }    }    // 真正同步類的實現都依賴繼承于AQS的自定義同步器!    private final Sync sync = new Sync();    // 獲取鎖,會阻塞等待,直到成功才返回    public void lock() {        sync.acquire(1);    }    // 釋放鎖    public void unlock() {        sync.release(1);    }}

測試類如下:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

public class MutexLockTest {    private static int count =0;    private static MutexLock lock = new MutexLock();    public static void main(String[] args) throws Exception {        final int threadNum = 10;        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadNum);        // 創建10個線程,同時對count進行1000相加操作        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {            new Thread(new Runnable() {                @Override                public void run() {                    // 加鎖                    lock.lock();                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {                        count++;                    }                    // 釋放鎖                    lock.unlock();                    // 線程數減 1                    latch.countDown();                }            }).start();        }        // 等待線程執行完畢        latch.await();        System.out.println("執行結果:" +  count);    }}

輸出結果:ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

執行結果:10000

從日志輸出結果可以清晰的看到,執行結果與預期值一致!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

五、小結

本文從ReentrantLock源碼分析到AQS原理解析,進行了一次知識內容的總結,從上文的分析中可以看出,AQS是JUC包下線程同步器實現的基石。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

ReentrantLock、ReadWriteLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ThreadPoolExecutor 等并發工具類,線程同步的實現都基于AQS來完成,掌握AQS原理對線程同步的理解和使用至關重要。ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

AQS原理是面試時熱點話題,希望本篇能幫助到大家!ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

六、參考

1.https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.htmlItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

2.https://tech.meituan.com/2019/12/05/aqs-theory-and-apply.htmlItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/197840259ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

4.https://juejin.cn/post/7006895386103119908ItZ28資訊網——每日最新資訊28at.com

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