AbstractQueuedSynchronizer是Java併發包java.util.concurrent
的核心基礎組件,是實現Lock的基礎。
1. AQS類結構
屬性
// 屬性
private transient volatile Node head;// 同步隊列頭節點
private transient volatile Node tail;// 同步隊列尾節點
private volatileint state;// 當前鎖的狀態:0代表沒有被佔用,大於0代表鎖已被線程佔用(鎖可以重入,每次重入都+1)
private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 繼承自AbstractOwnableSynchronizer 持有當前鎖的線程
方法
// 鎖狀態
getState()// 返回同步狀態的當前值;
setState(int newState)// 設置當前同步狀態;
compareAndSetState(int expect, int update)// 使用CAS設置當前狀態,保證狀態設置的原子性;
// 獨佔鎖
acquire(int arg)// 獨佔式獲取同步狀態,如果獲取失敗則插入同步隊列進行等待;
acquireInterruptibly(int arg)// 與acquire(int arg)相同,但是該方法響應中斷;
tryAcquireNanos(int arg,long nanos)// 在acquireInterruptibly基礎上增加了超時等待功能,在超時時間內沒有獲得同步狀態返回false;
release(int arg)// 獨佔式釋放同步狀態,該方法會在釋放同步狀態之後,將同步隊列中頭節點的下一個節點包含的線程喚醒;
// 共享鎖
acquireShared(int arg)// 共享式獲取同步狀態,與獨佔式的區別在於同一時刻有多個線程獲取同步狀態;
acquireSharedInterruptibly(int arg)// 在acquireShared方法基礎上增加了能響應中斷的功能;
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)// 在acquireSharedInterruptibly基礎上增加了超時等待的功能;
releaseShared(int arg)// 共享式釋放同步狀態;
// AQS使用模板方法設計模式
// 模板方法,需要子類實現獲取鎖/釋放鎖的方法
tryAcquire(int arg)// 獨佔式獲取同步狀態;
tryRelease(int arg)// 獨佔式釋放同步狀態;
tryAcquireShared(int arg)// 共享式獲取同步狀態;
tryReleaseShared(int arg)// 共享式釋放同步狀態;
內部類
//同步隊列的節點類
staticfinalclass Node {}
2. 同步隊列
AQS通過內置的FIFO同步隊列來完成資源獲取線程的排隊工作。如果當前線程獲取鎖失敗時,AQS會將當前線程以及等待狀態等信息構造成一個節點(Node)並將其加入同步隊列,同時會park當前線程;當同步狀態釋放時,則會把節點中的線程喚醒,使其再次嘗試獲取同步狀態。
隊列結構
同步隊列由雙向鏈表實現,AQS持有頭尾指針(head/tail屬性)來管理同步隊列節點的數據結構,即AQS的靜態內部類Node,包括節點對應的線程、節點的等待狀態等信息。
節點類:
staticfinalclass Node {
volatile Node prev;// 當前節點/線程的前驅節點
volatile Node next;// 當前節點/線程的後繼節點
volatile Thread thread;// 每一個節點對應一個線程
volatileint waitStatus;// 節點狀態
staticfinalint CANCELLED = 1;// 節點狀態:此線程取消了爭搶這個鎖
staticfinalint SIGNAL = -1;// 節點狀態:當前node的後繼節點對應的線程需要被喚醒(表示後繼節點的狀態)
staticfinalint CONDITION = -2;// 節點狀態:當前節點進入等待隊列中
staticfinalint PROPAGATE = -3;// 節點狀態:表示下一次共享式同步狀態獲取將會無條件傳播下去
Node nextWaiter;// 共享模式/獨佔模式
staticfinal Node SHARED = new Node();// 共享模式
staticfinal Node EXCLUSIVE = null;// 獨佔模式
}
入隊操作
/**
* 1.線程搶鎖失敗後,封裝成node加入隊列
* 2.隊列有tail,可直接入隊。
* 2.1入隊時,通過CAS將node置爲tail。CAS操作失敗,說明被其它線程搶先入隊了,node需要通過enq()方法入隊。
* 3.隊列沒有tail,說明隊列是空的,node通過enq()方法入隊,enq()會初始化head和tail。
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// 線程搶鎖失敗後,封裝成node加入隊列
Node pred = tail;
if (pred != null) {// 如果有tail,node加入隊尾
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {// 通過CAS將node置爲tail。CAS操作失敗,說明被其它線程搶先入隊了,node需要通過enq()方法入隊。
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);// 如果沒有tail,node通過enq()方法入隊。
return node;
}
/**
* 1.通過自旋的方式將node入隊,只有node入隊成功才返回,否則一直循環。
* 2.如果隊列爲空,初始化head/tail,初始化之後再次循環到else分支,將node入隊。
* 3.node入隊時,通過CAS將node置爲tail。CAS操作失敗,說明被其它線程搶先入隊了,自旋,直到成功。
*/
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {// 自旋:循環入列,直到成功
Node t = tail;
if (t == null) {
// 初始化head/tail,初始化之後再次循環到else分支,將node入隊
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// node入隊
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {// 通過CAS將node置爲tail。操作失敗,說明被其它線程搶先入隊了,自旋,直到成功。
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
3. 獲取鎖
/**
* 1.當前線程通過tryAcquire()方法搶鎖。
* 2.線程搶到鎖,tryAcquire()返回true,結束。
* 3.線程沒有搶到鎖,addWaiter()方法將當前線程封裝成node加入同步隊列,並將node交由acquireQueued()處理。
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && // 子類的搶鎖操作,下文有解釋
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))// 子類搶鎖失敗進入隊列中,重點方法,下文詳細講解
selfInterrupt();
}
/**
* 需要子類實現的搶鎖的方法
* 目前可以理解爲通過CAS修改state的值,成功即爲搶到鎖,返回true;否則返回false。
* 之後重入鎖ReentrantLock、讀寫鎖ReentrantReadWriteLock中會詳細講解。
*/
protected boolean tryAcquire(int arg) {
thrownew UnsupportedOperationException();
}
/**
* 上文介紹過的入隊操作,線程搶鎖失敗,將當前線程封裝成node加入同步隊列,並返回node
* Node.EXCLUSIVE-表示獨佔鎖,先不用關注
*/
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
/**
* 重點方法!!
* 1.只有head的後繼節點能去搶鎖,一旦搶到鎖舊head節點從隊列中刪除,next被置爲新head節點。
* 2.如果node線程沒有獲取到鎖,將node線程掛起。
* 3.鎖釋放時head節點的後繼節點喚醒,喚醒之後繼續for循環搶鎖。
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {// 注意這裏是循環
/*
* 1.node的前置節點是head時,可以調用tryAcquire()嘗試去獲取鎖,獲取鎖成功則將node置爲head
* 注意:只有head的後繼節點能去搶鎖,一旦搶到鎖舊head節點從隊列中刪除,next被置爲新head節點
* 2.node線程沒有獲取到鎖,繼續執行下面另一個if的代碼
* 此時有兩種情況:1)node不是head的後繼節點,沒有資格搶鎖;2)node是head的後繼節點但搶鎖沒成功
*/
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
/*
* shouldParkAfterFailedAcquire(p, node):通過前置節點pred的狀態waitStatus 來判斷是否可以將node節點線程掛起
* parkAndCheckInterrupt():將當前線程掛起
* 1.如果node前置節點p.waitStatus==Node.SIGNAL(-1),直接將當前線程掛起,等待喚醒。
* 鎖釋放時會將head節點的後繼節點喚醒,喚醒之後繼續for循環搶鎖。
* 2.如果node前置節點p.waitStatus<=0但是不等於-1,
* 1)shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)會將p.waitStatus置爲-1,並返回false;
* 2)進入一下次for循環,先嚐試搶鎖,沒獲取到鎖則又到這裏,此時p.waitStatus==-1,就會掛起當前線程。
* 3.如果node前置節點p.waitStatus>0,
* 1)shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)爲node找一個waitStatus<=0的前置節點,並返回false;
* 2)繼續for循環
*/
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* 通過前置節點pred的狀態waitStatus 來判斷是否可以將node節點線程掛起
* pred.waitStatus==Node.SIGNAL(-1)時,返回true表示可以掛起node線程,否則返回false
* @param pred node的前置節點
* @param node 當前線程節點
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
returntrue;
if (ws > 0) {
/*
* waitStatus>0 ,表示節點取消了排隊
* 這裏檢測一下,將不需要排隊的線程從隊列中刪除(因爲同步隊列中保存的是等鎖的線程)
* 爲node找一個waitStatus<=0的前置節點pred
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 此時pred.waitStatus<=0但是不等於-1,那麼將pred.waitStatus置爲Node.SIGNAL(-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
returnfalse;
}
/**
* 將當前線程掛起
* LockSupport.park()掛起當前線程;LockSupport.unpark(thread)喚醒線程thread
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);// 將當前線程掛起
return Thread.interrupted();
}
4. 釋放鎖
/**
* 釋放鎖之後,喚醒head的後繼節點next。
* 回顧上文講的acquireQueued()方法,next節點會進入for循環的下一次循環去搶鎖
*/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {// 子類實現的釋放鎖的方法,下文有講解
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);// 喚醒node節點(也就是head)的後繼節點,下文有講解
returntrue;
}
returnfalse;
}
/**
* 需要子類實現的釋放鎖的方法,對應於tryAcquire()
* 目前可以理解爲將state的值置爲0。
* 之後重入鎖ReentrantLock、讀寫鎖ReentrantReadWriteLock中會詳細講解。
*/
protected boolean tryRelease(int arg) {
thrownew UnsupportedOperationException();
}
/**
* 喚醒node節點(也就是head)的後繼節點
*/
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;// 正常情況,s就是head.next節點
/*
* 有可能head.next取消了等待(waitStatus==1)
* 那麼就從隊尾往前找,找到waitStatus<=0的所有節點中排在最前面的去喚醒
*/
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);// 喚醒s節點的線程去搶鎖
}
回顧
1. 線程1來獲取鎖,此時沒有競爭,直接獲取到鎖。AQS隊列爲空。
2. 線程2來獲取鎖,因爲線程1佔用鎖,線程2需要做兩件事:
- 線程2構造成Node到AQS的同步隊列中排隊。此時初始化同步隊列。
- 線程2阻塞,等待被喚醒之後再去搶鎖。
3. 線程3來獲取鎖,鎖被佔用,同樣做兩件事:排隊並阻塞。此時的同步隊列結構:
4. 線程1執行完同步代碼之後釋放鎖,喚醒head的後繼節點(線程2),線程2獲取鎖,並把線程2對應的Node置爲head。
5. 線程2執行完同步代碼之後釋放鎖,喚醒head的後繼節點(線程3),線程3獲取鎖,並把線程3對應的Node置爲head。
6. 線程3執行完同步代碼之後釋放鎖,同步隊列中head之後沒有節點了,將head置爲null即可。
總結
AQS結構:鎖狀態state
、當前只有鎖的線程exclusiveOwnerThread
以及雙向鏈表實現的同步隊列。AQS使用模板方法設計模式,子類必須重寫AQS獲取鎖tryAcquire()
和釋放鎖tryRelease()
的方法,一般是對state
和exclusiveOwnerThread
的操作。獲取鎖acquire()
過程:
- 子類調用
tryAcquire()
嘗試獲取鎖,如果獲取鎖成功,完成。 - 如果獲取鎖失敗,當前線程會封裝成Node節點插入同步隊列中,並且將當前線程
park()
阻塞,等待被喚醒之後再搶鎖。
釋放鎖release()
過程:當前線程調用子類的tryRelease()
方法釋放鎖,釋放鎖成功後,會unpark(thread)
喚醒head
的後繼節點,讓其再去搶鎖。