没看过AQS源码,别说精通Java并发编程

2024年 2月 29日 147.3k 0

前言

AQS 全称 AbstractQueuedSynchronizer(抽象队列同步器),旨在作为创建锁和其他同步机制的基础,常见的同步锁 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier等都是基于 AQS 实现的。所以只有了解了AQS的实现原理,才能更好学习使用其他同步锁。

AQS的源码逻辑比较复杂,很多开发者看见就头疼,逻辑众多,无法梳理清楚。原因就是开发者梳理源码的步骤出错了,刚开始就看AQS的加锁、释放锁逻辑,陷入细节中不能自拔。正确的做法是,先整体后局部,先框架后细节。下面就带着大家一下分析AQS源码,保证清晰易懂。

AQS加锁流程

为什么一上来先看AQS的加锁流程,先要理解AQS的框架设计,才能去看具体的源码。

问个问题,如果让你设计一个同步锁,你会怎么设计?

肯定先要梳理一下需求,需求没有梳理清楚,就别谈开发了。

我理解的设计一个同步锁,需要满足以下需求:

  • 当多个线程竞争同一个临界资源的时候,只有一个线程可以获取到临界资源,其他线程只能等待。所以这里我们需要一个状态state用来记录临界资源是否被加锁和加锁的次数,还需要记录一下这个资源是被哪个线程持有,字段名叫做exclusiveOwnerThread。还需要一个队列,用来存储等待获取资源的线程,这个队列我们叫做同步队列。
  • 持有资源的线程可以主动挂起自己(调用await()方法),并且释放锁,然后等待被其他线程唤醒。所以这里需要一个队列存储需要被唤醒的线程,这个队列我们叫做条件队列。
  • 在条件队列中线程被唤醒后,并不能立即获取到锁,还需要跟同步队列中线程一起竞争锁。所以在条件队列中被唤醒的线程,需要转移到同步队列。
  • 至此,我们梳理清楚了AQS的加锁需求,而实际上AQS的加锁流程跟上面的需求完全一致,下面用一张图来表示。

    图片图片

    AQS的数据结构

    看一下AQS内部的架构设计和包含的属性。

    // AQS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或者同步队列的共享/排他模式
            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 {
    
        // 正在占用锁的线程
        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。

    图片图片

    同步队列:是带有头尾节点的双链表,由Node节点组成,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:是带有头尾节点的单链表。同样由Node节点组成,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节点的节点状态(waitStatus)共有5种:

    • 1 cancelled:表示节点的线程已经被取消
    • 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后继节点
    • -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)

    节点状态(waitStatus)流转过程如下:

    图片图片

    AQS方法概览

    AQS支持排他模式和共享模式两种访问资源的模式(排他模式又叫独占模式)。 排他模式的方法:

    // 加锁
    acquire(int arg);
    // 加可中断的锁
    acquireInterruptibly(int arg);
    // 加锁,带超时时间(如果指定时间内加锁不成功,就返回false)
    tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
    // 释放锁
    release(int arg);

    共享模式的方法:

    // 加锁
    acquireShared(int arg);
    // 加可中断的锁
    acquireSharedInterruptibly(int arg);
    // 加锁,带超时时间(如果指定时间内加锁不成功,就返回false)
    tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
    // 释放锁
    releaseShared(int arg);

    排他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:

    public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
            extends AbstractOwnableSynchronizer
            implements java.io.Serializable {
    
        // 加排他锁
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    
        // 释放排他锁
        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!

    条件队列的方法

    条件队列中常用的方法如下:

    // 等待方法,并释放锁
    public final void await() throws InterruptedException {
     ……
    }
    
    // 等待指定时间
    public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
     ……
    }
    
    // 唤醒条件队列中的单个线程
    public final void signal() {
     ……
    }
    
    // 唤醒条件队列中的所有线程
    public final void signalAll() {
     ……
    }

    排它锁

    1. 加锁

    整个加锁流程如下:

    图片图片

    再看一下加锁方法的源码:

    // 加锁方法,传参是1,表示加锁一次
    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mode表示是共享模式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;
    }
    
    // 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) {
                // 如果同步队列为空,先初始化头节点(头节点是空节点)
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                // 再使用CAS追加到同步队列末尾
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }
    
    // 创建Node节点,传参thread表示当前线程,mode表示共享模式or排他模式
    Node(Thread thread, Node mode) {
       this.thread = thread;
        this.nextWaiter = mode;
    }

    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。

    2. 释放锁

    释放锁的流程如下:

    图片图片

    释放锁的代码逻辑比较简单:

    // 释放锁,传参是1,表示释放锁一次
    public final boolean release(int arg) {
        // 1. 先尝试释放锁,如果成功,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,作用就是重置头节点状态,然后找到一个有效的后继节点并唤醒。

    // 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) {
            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 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

    上篇文章讲了AQS的架构设计和排它锁的加锁、释放锁流程,下篇文章接着讲共享锁的加锁、释放锁流程。这篇文章开始讲AQS的共享锁加锁和释放锁流程。

    共享锁

    1. 加锁

    先看共享锁的加锁流程:

    // 加锁方法,传参是1,表示加锁一次
    public final void acquireShared(int arg) {
        // 1. 首先尝试获取锁,返回值小于0,表示获取锁失败
        if (tryAcquireShared(arg) = 0) {
                        // 3. 获取锁成功后,把自己设置为头节点并向后传播
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null;
                        // 4. 检查中断状态
                        if (interrupted) {
                            selfInterrupt();
                        }
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // 4. 如果获取锁失败,把前驱节点状态设置成SIGNAL,用来唤醒自己(前面讲过)
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // 挂起并中断当前线程
                    parkAndCheckInterrupt()) {
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            // 5. 如果获取锁失败,就取消当前节点
            if (failed) {
                cancelAcquire(node);
            }
        }
    }

    看一下上面的第三步设置头节点的逻辑,setHeadAndPropagate() 方法的作用就是:

  • 设置新的头节点
  • 向后传播共享锁
  • 这里就是共享锁与排它锁的区别,共享锁的同步队列中某个节点获取到锁时,会向后传播,唤醒其他节点,也就是通知队列中其他节点一起获取锁,。

    // 设置头节点,并向后传播
    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head;
        setHead(node);
        // propagate > 0 表示获取到了共享锁
        // h == null || h.waitStatus  0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            // 判断如果后继节点为空或者是共享节点,就开始传播共享锁
            if (s == null || s.isShared()) {
                doReleaseShared();
            }
        }
    }

    再看一下上面第五步,获取锁失败后,取消当前节点的逻辑:

    // 取消获取锁
    private void cancelAcquire(Node node) {
    // 判空
    if (node == null) {
    return;
    }

    // 1. 设置线程为null,不再持有锁
    node.thread = null;

    // 2. 如果前驱节点是取消状态,继续向前遍历,找到不是取消状态的前驱节点
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0) {
    node.prev = pred = pred.prev;
    }

    Node predNext = pred.next;

    // 3. 把当前节点设置为取消状态,不再获取锁
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // 4. 判断如果当前节点是尾节点,就删除当前节点
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
    compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
    // 5. 判断后继节点是否需要被唤醒
    int ws;
    if (pred != head &&
    ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
    (ws

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