扔掉源码,15张图带你彻底理解Java AQS
The following article is from 程序员jinjunzhu Author jinjunzhu
Java 中 AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 类。AQS 依赖 FIFO 队列来提供一个框架。这个框架用于实现锁以及锁相关的同步器,比如信号量、事件等。
在 AQS 中,主要有两部分功能:一部分是操作 state 变量,第二部分是实现排队和阻塞机制。
注意:AQS并没有实现任何同步接口,它只是提供了类似acquireInterruptible的方法,调用这些方法可以实现锁和同步器。
1 管程模型
Java 使用 MESA 管程模型来管理类的成员变量和方法,让这个类的成员变量和方法的操作是线程安全的。下图是 MESA 管程模型,里面除了定义共享变量外,还定义了条件变量和条件变量等待队列:
Java 中 的 MESA 模型有一点改进,就是管程内部只有一个条件变量和一个等待队列。
下图是 AQS 的管程模型:
AQS 的管程模型依赖 AQS 中的 FIFO 队列实现入口等待队列,而 ConditionObject 则实现了条件队列,这个队列可以创建多个。
本文主要讲解入口等待队列获取锁的几种方式。
2 获取独占锁
2.1 独占,忽略 interrupts
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这里的 tryAcquire 是抽象方法,有 AQS 的子类来实现,因为每个子类实现的锁是不一样的。
入队
上面的代码可以看到,获取锁失败后,会先执行 addWaiter 方法加入队列,然后执行 acquireQueued 方法自旋地获取锁直到成功。
addWaiter 代码逻辑如下图。简单说就是把 node 入队,入队后返回 node 参数给 acquireQueued 方法:
这里需要注意:如果队列为空,则新建一个 Node 作为队头。
入队后获取锁
acquireQueued自旋获取锁逻辑如下图:
acquireQueued 自旋获取锁逻辑
这里有几个细节:
1. waitStatus
CANCELLED(1):当前节点取消获取锁。当等待超时或被中断(响应中断),会触发变更为此状态,进入该状态后节点状态不再变化; SIGNAL(-1):后面节点等待当前节点唤醒; CONDITION(-2):Condition 中使用,当前线程阻塞在 Condition。如果其他线程调用了 Condition 的 signal 方法,这个结点将从等待队列转移到同步队列队尾,等待获取同步锁; PROPAGATE(-3):共享模式,前置节点唤醒后面节点后,唤醒操作无条件传播下去; 0:中间状态,当前节点后面的节点已经唤醒,但是当前节点线程还没有执行完成。
2. 获取锁失败后挂起
如果前置节点不是头节点,或者前置节点是头节点但当前节点获取锁失败,这时当前节点需要挂起,分三种情况:
前置节点 waitStatus=-1
前置节点 waitStatus > 0
前置节点 waitStatus < 0,不等于 -1
3. 取消获取锁
如果获取锁抛出异常,则取消获取锁,如果当前节点是 tail 节点,分两种情况如下图:
如果当前节点不是 tail 节点,也分两种情况,如下图:
4. 对中断状态忽略
5. 如果前置节点的状态是 0 或 PROPAGATE,会被当前节点自旋过程中更新成 -1,以便之后通知当前节点。
2.2 独占 + 响应中断
对应方法 acquireInterruptibly(int arg)。
跟忽略中断(acquire 方法)不同的是要响应中断,下面两个地方响应中断:
获取锁之前会检查当前线程是否中断; 获取锁失败入队,在队列中自旋获取锁的过程中也会检查当前线程是否中断。
如果检查到当前线程已经中断,则抛出 InterruptedException,当前线程退出。
2.3 独占 + 响应中断 + 考虑超时
对应方法 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)。
这个方法具备了独占 + 响应中断 + 超时的功能,下面两个地方要判断是否超时:
自旋获取锁的过程中每次获取锁失败都要判断是否超时; 获取锁失败 park 之前要判断超时时间是否大于自旋的阈值时间 (spinForTimeoutThreshold = 1ns)。
另外,park 线程的操作使用 parkNanos 传入阻塞时间。
3 释放独占锁
独占锁释放分两步:释放锁,唤醒后继节点。
释放锁的方法 tryRelease 是抽象的,由子类去实现。
我们看一下唤醒后继节点的逻辑。首先需要满足两个条件:
head 节点不等于 null; head 节点 waitStatus 不等于 0。
这里有两种情况(在方法 unparkSuccessor):
情况一:后继节点 waitStatus <= 0,直接唤醒后继节点,如下图:
后继节点 waitStatus <= 0
情况二:后继节点为空或者 waitStatus > 0,从后往前查找最接近当前节点的节点进行唤醒,如下图:
4 获取共享锁
之前我们讲了独占锁,这一小节我们谈共享锁。二者有什么不同呢?
4.1 共享,忽略 interrupts
对应方法 acquireShared,代码如下:
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
4.2 tryAcquireShared
这里获取锁使用的方法是 tryAcquireShared,获取的是共享锁。获取共享锁跟获取独占锁不同的是,会返回一个整数值,说明如下:
返回负数:获取锁失败; 返回0:获取锁成功但是之后再由线程来获取共享锁时就会失败; 返回正数:获取锁成功而且之后再有线程来获取共享锁时也可能会成功。所以需要把唤醒操作传播下去。
tryAcquireShared 获取锁失败后(返回负数),就需要入队后自旋获取,也就是执行方法 doAcquireShared。
4.3 doAcquireShared
怎么判断队列中等待节点是在等待共享锁呢?nextWaiter == SHARED,这个参数值是入队新建节点的时候构造函数传入的。
自旋过程中,如果获取锁成功(返回正数),首先把自己设置成新的 head 节点,然后把通知传播下去。如下图:
自旋过程中获取锁成功
之后会唤醒后面节点并保证唤醒操作可以传播下去。但是需要满足四个条件中的一个:
tryAcquireShared 返回值大于 0,有多余的锁,可以继续唤醒后继节点; 旧的 head 节点 waitStatus < 0,应该是其他线程释放共享锁过程中把它的状态更新成了 -3; 新的 head 节点 waitStatus < 0,只要不是 tail 节点,就可能是 -1。这里会造成不必要的唤醒,因为唤醒后获取不到锁只能继续入队等待; 当前节点的后继节点是空或者非空但正在等待共享锁。
唤醒后面节点的操作,其实就是释放共享锁,对应方法是 doReleaseShared,见释放共享锁一节。
4.4 共享 + 响应中断
对应方法acquireSharedInterruptibly(int arg)。
跟共享忽略中断(acquireShared 方法)不同的是要响应中断,下面两个地方响应中断:
获取锁之前会检查当前线程是否中断。 获取锁失败入队,在队列中自旋获取锁的过程中也会检查当前线程是否中断。
如果检查到当前线程已经中断,则抛出InterruptedException,当前线程退出。
4.5 共享 + 响应中断 + 考虑超时
对应方法tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)。
这个方法具备了共享 + 响应中断 + 超时的功能,下面两个个地方要判断是否超时:
自旋获取锁的过程中每次获取锁失败都要判断是否超时; 获取锁失败 park 之前要判断超时时间是否大于自旋的阈值时间 spinForTimeoutThreshold = 1ns。
另外,park 线程的操作使用 parkNanos 传入阻塞时间。
5 释放共享锁
释放共享锁代码如下:
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
首先,尝试释放共享锁。tryReleaseShared 代码由子类来实现。释放成功后执行 AQS 中的 doReleaseShared 方法,是一个自旋操作。
自旋的条件是队列中至少有两个节点,这里分三种情况。
情况一
当前节点 waitStatus 是 -1,如下图:
当前节点 waitStatus 是 -1
情况二
当前节点 waitStatus 是 0(被其他线程更新成了中间状态),如下图:
当前节点 waitStatus 是 0
情况三
当前节点 waitStatus 是 -3,为什么会这样呢?
需要解释一下,head 节点唤醒后继节点之前 waitStatus 已经被更新中间态 0 了,唤醒后继节点动作还没有执行,又被其他线程更成了 -3.
也就是其他线程释放锁执行了上面情况二。这时需要先把 waitStatus 再更成 0(在方法 unparkSuccessor),如下图:
先把 waitStatus 再更成 0
6 抽象方法
上面的讲解可以看出,如果要基于 AQS 来实现并发锁,可以根据需求重写下面四个方法来实现,这四个方法在 AQS 中没有具体实现:
tryAcquire(int arg):获取独占锁 tryRelease(int arg):释放独占锁 tryAcquireShared(int arg):获取共享锁 tryReleaseShared(int arg):释放共享锁
AQS 的子类需要重写上面的方法来修改 state 值,并且定义获取锁或者释放锁时 state值的变化。子类也可以定义自己的 state 变量,但只有更新 AQS 中的 state 变量才会对同步起作用。
还有一个判断当前线程是否持有独占锁的方法 isHeldExclusively,也可以供子类重写后使用。
总结
AQS 使用 FIFO 队列实现了一个锁相关的并发器模板,可以基于这个模板来实现各种锁,包括独占锁、共享锁、信号量等。
AQS 中有一个核心状态是 waitStatus,这个代表节点的状态,决定了当前节点的后续操作,比如是否等待唤醒,是否要唤醒后继节点。
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