前提
一、AQS
AbstractQueuedSynchronizer(簡稱AQS),隊列同步器,是用來構建鎖或者其他同步組建的基礎框架。該類主要包括:
1、模式,分爲共享和獨佔。
2、volatile int state,用來表示鎖的狀態。
3、FIFO雙向隊列,用來維護等待獲取鎖的線程。
AQS部分代碼及說明如下:
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
static final class Node {
/** 共享模式,表示可以多個線程獲取鎖,比如讀寫鎖中的讀鎖 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 獨佔模式,表示同一時刻只能一個線程獲取鎖,比如讀寫鎖中的寫鎖 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
}
/** AQS類內部維護一個FIFO的雙向隊列,負責同步狀態的管理,當前線程獲取同步狀態失敗時,同步器會將當前線程以及等待狀態等
構造成一個節點Node並加入同步隊列;當同步狀態釋放時,會把首節點中線程喚醒,使其再次嘗試同步狀態 */
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
/** 狀態,主要用來確定lock是否已經被佔用;在ReentrantLock中,state=0表示鎖空閒,>0表示鎖已被佔用;可以自定義,改寫tryAcquire(int acquires)等方法即可 */
private volatile int state;
}
這裏主要說明下雙向隊列,通過查看源碼分析,隊列是這個樣子的:
head -> node1 -> node2 -> node3(tail)
注意:head初始時是一個空節點(所謂的空節點意思是節點中沒有具體的線程信息),之後表示的是獲取了鎖的節點。因此實際上head->next(即node1)纔是同步隊列中第一個可用節點。
AQS的設計基於模版方法模式,使用者通過繼承AQS類並重寫指定的方法,可以實現不同功能的鎖。可重寫的方法主要包括:
二、通過ReentrantLock學習AQS的使用
1、公平鎖的獲取
/**
* Sync object for fair locks
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
/**
* 首先嚐試獲取鎖,如果tryAcquire(arg)返回true,獲取鎖成功;
* 如果失敗,則調用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg),將當前線程封裝成Node節點加入到同步隊列隊尾,之後阻塞當前線程
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
/**
* 獲取state的值,如果等於0表示鎖空閒,可以嘗試獲取;
* 查看當前線程是否是FIFO隊列中的第一個可用節點,如果是第一個,則嘗試通過CAS方式獲取鎖, 這保證了等待時間最長的必定先獲取鎖
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
/**
* 如果發現當前節點的前一個節點爲head,那麼嘗試獲取鎖,成功之後刪除head節點並將自己設置爲head,退出循環;
* 如果當前節點爲阻塞狀態,需要unpark()喚醒,release()方法會執行喚醒操作
*/
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
/**
* 爲了避免無意義的自旋,同步隊列中的線程會通過park(this)方法用於阻塞當前線程
*/
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
}
2、公平鎖的釋放
更新狀態值state,之後喚醒同步隊列中的第一個等待節點,unparkSuccessor(Node node)。
三、公平鎖和非公平鎖
ReentrantLock默認的鎖爲非公平鎖,其主要原因在於:與公平鎖相比,可以避免大量的線程切換,極大的提高性能。
先看一個非公平鎖的例子:
public class AQS2 {
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
private Thread[] threads = new Thread[3];
public AQS2() {
for (int i = 0; i < 3 ; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
try {
lock.lock();
Thread.sleep(100);
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
});
}
}
public void startThreads() {
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
}
}
public static void main(String[] args) {
AQS2 aqs2 = new AQS2();
aqs2.startThreads();
}
}
運行結果爲:
這段代碼(每個線程2次獲取鎖/釋放鎖)的運行結果我一開始沒有想清楚,之前我是這麼想的:
Thread0先獲取鎖,之後sleep 100ms,那麼等待獲取鎖的同步隊列爲:
head -> thread1 -> thread2 -> thread0 -> thread1 -> thread2。
從運行結果可知,第二次獲取鎖的還是thread0,但是鎖的釋放release(int args)卻總是從同步隊列的第一個可用節點開始,那就把thread1從隊列中移除了,邏輯明顯不對了。
後來重新看了代碼,比較了非公平鎖和公平鎖之間的不同時,才終於明白。
非公平鎖獲取鎖最大的不一樣的地方在於:線程可以無視sync同步隊列插隊!一旦插隊成功,獲得了鎖,那麼該線程當然也就不用在排隊了。所以以上程序的同步隊列應該爲:
head -> thread1 -> thread2。
非公平鎖源代碼主要的不同點有2點:
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
//不同點1
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) { //不同點2
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}
thread0第一次釋放鎖之後,會立刻通過lock.lock()操作繼續嘗試獲取鎖。非公平鎖的lock()方法會直接嘗試獲取鎖,無視同步隊列,因此很大概率會再次獲得鎖;如果失敗了,那麼執行nonfairTryAcquire(int acquires)方法,該方法和tryAcquire(int acquires)最大的不同在於,缺少了hasQueuedPredecessors()的判斷,即不需要判斷當前線程是否是同步隊列的第一個可用節點,甚至也不需要判斷當前線程是否在同步隊列中,直接嘗試獲取鎖即可。
公平鎖和非公平鎖總結:
公平感鎖和非公平鎖區別 。公平鎖在試圖獲得鎖時,從隊列中拿線程,而非公平鎖新來的線程不會判斷自己是否是隊頭的節點,會和原始的線程爭搶鎖,如果爭搶不過會加入到隊列尾部
加鎖:
釋放鎖:
四 獨佔鎖與共享鎖
AQS的功能可以分爲兩類:獨佔與共享;如ReentrantLock利用了其獨佔功能,CountDownLatch,Semaphore利用了其共享功能。
AQS的靜態內部類Node裏有兩個變量,獨佔鎖與共享鎖在創建自己的節點時(addWaiter方法)用於表明身份,它們會被賦值給Node的nextWaiter變量。
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
獨佔鎖
獨佔鎖就是每次只允許一個線程執行,當前線程執行完會release將同步狀態歸零,再喚醒後繼節點,這裏通過自定義tryAcquire來實現公平與非公平(即是否允許插隊);
acquire & release
//成功代表同步狀態的變更,排斥其他線程;否則加入等待隊列
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
//歸零同步狀態,喚醒後繼節點
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
這裏通過同步狀態來實現獨佔功能。
共享鎖
如Semaphore,CountDownLatch,它們調用的是AQS裏的acquireSharedInterruptibly與releaseShared;實現自己的tryAcquireShared與tryReleaseShared,這裏便體現了獨佔與共享的不同,獨佔鎖的tryAcquire,tryRelease返回boolean代表同步狀態更改的成功與否;tryAcquireShared返回int值,tryAcquireShared值小於0則線程需要入隊列中等待。
以Semphore的非公平鎖爲例,如果當前正在執行的線程數小於限制值state,就CAS更改同步狀態值,線程直接執行。返回負數代表正在執行的線程數達到允許值,當前線程需要等待。
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
acquireShared
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 創建共享節點
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
releaseShared
共享鎖的喚醒操作doReleaseShared是由多個線程併發執行的,爲了確保喚醒操作能夠延續下去,不因某個線程的問題而中斷。
tryReleaseShared由子類實現,返回boolean,以Semphore爲例
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
當一個線程執行完會增加我們的同步狀態值,返回true,之後doReleaseShared喚醒head.next節點裏的線程。
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
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);
}
總結
獨佔與共享最大不同就在各自的tryacquire裏,對於獨佔來說只有true或false,只有一個線程得以執行任務;而對於共享鎖的tryAcquireShared來說,線程數沒達到限制都可以直接執行。
但本質上都是對AQS同步狀態的修改,一個是0與1之間,另一個允許更多而已。
五、ReentrantReadWriteLnock
ReentrantReadWriteLock 同一個線程可以在 在獲得寫鎖兒不釋放的情況下獲得寫鎖。而不可以在獲得讀鎖不釋放的情況下 獲得寫鎖。
ReentrantReadWriteLock 實現 的不是Lock接口而是ReadWriteLock接口,內部靜態類Sync的兩個實現類FairSync(公平),NonFairSync(非公平)
Sync繼承AbstractQueuedSynchronizer(AQS).內部維護一個volatile的state 和一個雙向隊列(鏈表)。
理解了AQS的原理後,讀寫鎖也就不難理解了。讀寫鎖分爲2個鎖,讀鎖和寫鎖。讀鎖在同一時刻允許多個線程訪問,通過改寫int tryAcquireShared(int arg)以及boolean tryReleaseShared(int arg)方法即可;寫鎖爲獨佔鎖,通過改寫boolean tryAcquire(int arg)以及boolean tryRelease(int arg)方法即可。
由於AQS中只提供了一個int state來表示鎖的狀態,那麼如何表示讀和寫2個鎖呢?解決辦法是前16位表示讀鎖,後16位表示寫鎖。由於鎖的狀態只有16位,因此無論是對於讀鎖或者是寫鎖,其state最大值均爲65535,即所有獲得了鎖的線程的拿到鎖的總次數(由於是重進入鎖,因此每個線程可以拿到n個鎖)不超過65536。由於讀寫鎖主要的應用場景爲多讀少寫,所以如果感覺讀鎖的65535不夠用,可以自己改寫讀寫鎖即可,比如分配int state的前24位爲讀鎖,後8位爲寫鎖。
讀寫鎖還提供了一些新的方法,比如final int getReadHoldCount(),返回當前線程獲取讀鎖的次數。由於讀狀態保存的是所有獲取讀鎖的線程讀鎖次數的總和,因此每個線程自己的讀鎖次數需要單獨保存,引入了ThreadLocal,由線程自身維護。