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:
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。
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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。
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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:
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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:
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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:
// 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:
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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:
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