蹲厕所的熊

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Java并发之AQS

2018-03-15 作者: 吴海旭


1、概述

谈到并发,不得不谈ReentrantLock;而谈到ReentrantLock,不得不谈AbstractQueuedSynchronizer(AQS)!

AQS定义了一个抽象的队列来进行同步操作,很多同步类都依赖于它,例如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch等。下面我们来通过源码分析解开AQS的神秘面纱。

2、框架

它维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。这里volatile是核心关键词,具体volatile的语义,在此不述。state的访问方式有三种:

  • getState()
  • setState()
  • compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:

/**
 * 独占式获取同步状态,实现该方法需要查询当前状态并判断同步状态是否符合预期,然后再进行CAS设置同步状态。
 * 成功返回true,失败返回false。
 */
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 独占式释放同步状态,等待获取同步状态的线程将有机会获取同步状态。
 * 成功返回true,失败返回false。
 */
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 共享式获取同步状态。
 * 1. 返回负数表示失败。
 * 2. 0表示成功,但没有剩余可用资源。
 * 3. 正数表示成功,且有剩余资源。
 */
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 共享式释放同步状态。
 * 如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。
 */
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 当前同步器是否在独占模式下被线程占用,一般该方法表示是否被当前线程所独占。
 * 只有用到condition才需要去实现它。
 */
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock。

3、源码分析

我们先来看看Node元素的类结构图:

static final class Node {
    static final Node SHARED = new Node();
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    //表示当前的线程被取消;
    static final int CANCELLED =  1;
    //表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行,也就是unpark;
    static final int SIGNAL    = -1;
    //表示当前节点在等待condition,也就是在condition队列中;
    static final int CONDITION = -2;
    //表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行;
    static final int PROPAGATE = -3;
    //表示节点的状态。默认为0,表示当前节点在sync队列中,等待着获取锁。
    //其它几个状态为:CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE
    volatile int waitStatus;
    //前驱节点
    volatile Node prev;
    //后继节点
    volatile Node next;
    //获取锁的线程
    volatile Thread thread;
    //存储condition队列中的后继节点。
    Node nextWaiter;
    ......
}

3.1、acquire(int)

/**
 * 独占获取同步状态,如果当前线程获取同步状态成功,则由该方法返回,否则,
 * 将会进入同步队列等待,该方法会调用重写的tryAcquire(int arg)方法
 */
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

该方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源,线程直接返回,否则进入等待队列,直到获取到资源为止,且整个过程忽略中断的影响。ReentrantLock的lock方法就是调用的该方法来获取锁。

方法的执行流程如下:

  1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回。
  2. 没成功,则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式。
  3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息,有机会时(轮到自己,会被unpark())会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。

可能单看这个流程还是看不太明白,没关系,接下来我们会一一击破,等会回过头来再看这个流程就会非常清晰了。

3.1.1、tryAcquire(int)

上面我们也说过这个方法(具体的资源的获取/释放)是需要实现类进行重写的。至于能不能重入,能不能加锁,那就看具体的自定义同步器怎么去设计了。当然,自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。

下面有的方法比较简单,直接看注释吧。

3.1.2、addWaiter(Node)

/**
 * 将当前线程加入到等待队列的队尾,并返回当前线程所在的结点
 */
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 首先尝试在链表的后面快速添加节点
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 将该节点添加到队列尾部
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果首节点为空或者cas添加失败,则进入enq方法通过自旋方式入队列(保证成功)
    enq(node);
    return node;
}

3.1.3、enq(Node)

/**
 * 将node加入队尾
 */
private Node enq(final Node node) {
    // 自旋重试
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // 当前没有节点,构造一个new Node(),将head和tail指向它
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            // 当前有节点,将传入的Node放在链表的最后
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

这里用到了CAS自旋来把Node放到队尾。

3.1.4、acquireQueued(Node, int)

OK,通过tryAcquire()和addWaiter(),该线程获取资源失败,已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧:进入等待状态休息,直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己,自己再拿到资源,然后就可以去干自己想干的事了。没错,就是这样!是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事:在等待队列中排队拿号(中间没其它事干可以休息),直到拿到号后再返回。这个函数非常关键,还是上源码吧

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true; // 标记是否成功拿到资源
    try {
        boolean interrupted = false; // 标记等待过程中是否被中断过
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();    // node的前一个节点
            // 如果前一个节点是head,说明当前node节点是第二个节点,接着尝试去获取资源
            // Note:可能是head释放完资源唤醒自己的,当然也可能被interrupt了
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;    // 返回等待过程中是否被中断过
            }

            // 如果自己可以休息了,就进入waiting状态,直到被unpark()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;    // 如果等待过程中被中断过,哪怕只有那么一次,就将interrupted标记为true
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

/**
 * 此方法主要用于检查状态,看看自己是否真的可以去休息了
 * 1.如果pred的waitStatus是SIGNAL,直接返回true
 * 2.如果pred的waitStatus>0,也就是CANCELLED,向前一直找到<=0的节点,让节点的next指向node
 * 3.如果pred的waitStatus<=0,改成SIGNAL
 */
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        // 如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下,那就可以安心休息了
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * 如果前节点放弃了,那就一直往前找,直到找到最近一个正常等待的状态,并排在它的后边。
         * 注意:那些放弃的结点,由于被自己“加塞”到它们前边,它们相当于形成一个无引用链,
         * 稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)!
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 如果前节点正常,那就把前节点的状态设置成SIGNAL,告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败,人家说不定刚刚释放完呢!
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

/**
 * 让线程去休息,真正进入等待状态
 */
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);    // 调用park()使线程进入waiting状态
    return Thread.interrupted(); // 如果被唤醒,查看是否被中断(该方法会重置标识位)
}

上面的parkAndCheckInterrupt方法才是真正让线程“等待”的方法,其中用到了LockSupport的park方法,关于LockSupport可以参考我之前的博文:Java并发之LockSupport

总结一下,acquireQueued总共做了3件事:

  1. 结点进入队尾后,检查状态,找到安全休息点。
  2. 调用park()进入waiting状态,等待unpark()或interrupt()唤醒自己。
  3. 被唤醒后,看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到,head指向当前结点,并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过;如果没拿到,继续流程1。

3.1.5、acquire总结

我们回过头来再看acquire方法,发现还有一个方法没有说到,那就是selfInterrupt方法,在

// 重新设置中断标识位
static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

由于此函数是重中之重,最后再用流程图总结一下:

3.2、release(int)

上一小节已经把acquire()说完了,这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此方法是独占模式下线程释放资源的顶层入口。它会释放指定量的资源,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义,当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码:

/**
 * 释放资源
 */
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h); // 唤醒等待队列里的下一个线程
        return true;
    }
    return false;
}

逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是,它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了!所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点!!

3.2.1、tryRelease(int)

跟tryAcquire()一样,这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说,tryRelease()都会成功的,因为这是独占模式,该线程来释放资源,那么它肯定已经拿到独占资源了,直接减掉相应量的资源即可(state-=arg),也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值,上面已经提到了,release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了!所以自义定同步器在实现时,如果已经彻底释放资源(state=0),要返回true,否则返回false。

3.2.2、unparkSuccessor(Node)

此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码:

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 这里,node一般为当前线程所在的结点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)    // 置零当前线程所在的结点状态,允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    // 找到下一个需要唤醒的结点s
    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);    // 唤醒
}

3.2.3、release总结

release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

3.3、acquireShared(int)

此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源,获取成功则直接返回,获取失败则进入等待队列,直到获取到资源为止,整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码:

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了:负值代表获取失败;0代表获取成功,但没有剩余资源;正数表示获取成功,还有剩余资源,其他线程还可以去获取。

3.3.1、doAcquireShared(int)

此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息,直到其他线程释放资源唤醒自己,自己成功拿到相应量的资源后才返回。

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);    //加入队列尾部
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);    // 尝试获取资源
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);    // 将head指向自己,还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)    // 如果等待过程中被打断过,此时将中断补上
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 判断状态,寻找安全点,进入waiting状态,等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

有木有觉得跟acquireQueued()很相似?对,其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了,而独占模式是放到acquireQueued()之外,其实都一样,不知道Doug Lea是怎么想的。

除此之外,有一个方法很重要:setHeadAndPropagate。它除了重新标记head指向的节点外,还有一个重要的作用,那就是propagate(传递),也就是共享的意思。

用图举个例子:

因为线程B的读锁无法直接获得锁,所以需要在Sync队列中等待,导致后面其他线程的读锁都得等待。

当线程A的读锁释放后,线程B的写锁获得锁,当它释放后,线程B的读锁会获取到锁,并传递给后面的节点,传递的事情就是在setHeadAndPropagate里做的,我们来看看它是如何做的。

3.3.2、setHeadAndPropagate(Node, int)

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head;//记录当前头节点
    //设置新的头节点,即把当前获取到锁的节点设置为头节点
    //注:这里是获取到锁之后的操作,不需要并发控制
    setHead(node);
    //这里意思有两种情况是需要执行唤醒操作
    //1.propagate > 0 表示调用方指明了后继节点需要被唤醒
    //2.头节点后面的节点需要被唤醒(waitStatus<0),不论是老的头结点还是新的头结点
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        //如果当前节点的后继节点是共享类型或者没有后继节点,则进行唤醒
        //这里可以理解为除非明确指明不需要唤醒(后继等待节点是独占类型),否则都要唤醒
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

此方法在setHead()的基础上多了一步,就是自己苏醒的同时,如果条件符合(比如还有剩余资源),还会去唤醒后继结点,毕竟是共享模式!这样,形成了一个唤醒链,直到写锁的节点就停止。

doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。

3.3.3、acquireShared总结

OK,至此,acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程:

  1. tryAcquireShared()尝试获取资源,成功则直接返回;

其实跟acquire()的流程大同小异,只不过多了个自己拿到资源后,还会去唤醒后继队友的操作(这才是共享嘛)

3.4、releaseShared()

上一小节已经把acquireShared()说完了,这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源,如果成功释放且允许唤醒等待线程,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码:

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {// 尝试释放资源
        doReleaseShared();// 唤醒后继结点
        return true;
    }
    return false;
}

此方法的流程也比较简单,一句话:释放掉资源后,唤醒后继。跟独占模式下的release()相似,但有一点稍微需要注意:独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源(state=0)后,才会返回true去唤醒其他线程,这主要是基于独占下可重入的考量;而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求,共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行,那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。例如,资源总量是13,A(5)和B(7)分别获取到资源并发运行,C(4)来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量,然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C,C一看只有3个仍不够继续等待;随后B又释放2个,tryReleaseShared(2)返回true唤醒C,C一看有5个够自己用了,然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源(state=0)才返回true,所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。

3.4.1、doReleaseShared()

此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码:

private void doReleaseShared() {
    /*
     * 如果head需要通知下一个节点,调用unparkSuccessor
     * 如果不需要通知,需要在释放后把waitStatus改为PROPAGATE来继续传播
     * 此外,我们必须通过自旋来CAS以防止操作时有新节点加入
     * 另外,不同于其他unparkSuccessor的用途,我们需要知道CAS设置状态失败的情况,
     * 以便进行重新检查。
     */
    for (;;) {
        //唤醒操作由头结点开始,注意这里的头节点已经是上面新设置的头结点了
        //其实就是唤醒上面新获取到共享锁的节点的后继节点
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            //表示后继节点需要被唤醒
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                //这里需要控制并发,因为入口有setHeadAndPropagate跟release两个,避免两次unpark
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;           
                //执行唤醒操作
                unparkSuccessor(h);
            }
            //如果后继节点暂时不需要唤醒,则把当前节点状态设置为PROPAGATE确保以后可以传递下去
            else if (ws == 0 &&
                    !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;               
        }
        //如果头结点没有发生变化,表示设置完成,退出循环
        //如果头结点发生变化,比如说其他线程获取到了锁,为了使自己的唤醒动作可以传递,必须进行重试
        if (h == head)                   
            break;
    }
}

3.5、Condition

在没有Lock之前,我们使用synchronized来控制同步,配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。在Java SE5后,Java提供了Lock接口,相对于Synchronized而言,Lock提供了条件Condition,对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活。

Condition提供了一系列的方法来对阻塞和唤醒线程:

public interface Condition {

    /**
     * 造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
     */
    void await() throws InterruptedException;

    /**
     * 造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意:该方法对中断不敏感】。
     */
    void awaitUninterruptibly();

    /**
     * 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
     * 返回值表示剩余时间,如果在nanosTimesout之前唤醒,那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间,
     * 如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
     */
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

    /**
     * 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
     */
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。
     * 如果没有到指定时间就被通知,则返回true,否则表示到了指定时间,返回返回false。
     */
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

    /**
     * 唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
     */
    void signal();

    /**
     * 唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。
     */
    void signalAll();
}

Condition是一种广义上的条件队列。他为线程提供了一种更为灵活的等待/通知模式,线程在调用await方法后执行挂起操作,直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition必须要配合锁一起使用,因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定,因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。

我们这里要说的Condition其实就是AQS的一个内部类:ConditionObject

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    //头节点
    private transient Node firstWaiter;
    //尾节点
    private transient Node lastWaiter;
}

每个Condition对象都包含着一个FIFO队列,该队列是Condition对象通知/等待功能的关键。在队列中每一个节点都包含着一个线程引用,该线程就是在该Condition对象上等待的线程。Condition拥有首节点(firstWaiter),尾节点(lastWaiter)。当前线程调用await()方法,将会以当前线程构造成一个节点(Node),并将节点加入到该队列的尾部。

Condition的队列结构比CLH同步队列的结构简单些,新增过程较为简单只需要将原尾节点的nextWaiter指向新增节点,然后更新lastWaiter即可。

因为大多数方法都差不多,我们这里只重点讲解await和signal方法。我们来看看源码是如何实现的。

3.5.1、await()

调用Condition的await()方法会使当前线程进入等待状态,同时会加入到Condition等待队列同时释放锁。当从await()方法返回时,当前线程一定是获取了Condition相关连的锁。

public final void await() throws InterruptedException {
    // 当前线程中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //当前线程加入等待队列
    Node node = addConditionWaiter();
    //释放锁,返回释放之前的状态
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    /**
     * 检测此节点的线程是否在Sync队列里,如果不在,则说明该线程还不具备竞争锁的资格,则继续等待
     * 直到检测到此节点在Sync队列里
     */
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //线程挂起
        LockSupport.park(this);
        //如果已经中断了,则退出循环
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    //竞争同步状态
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    //清理下条件队列中的不是在等待条件的节点
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)    // 对中断状态进行判断,是需要抛异常还是重置中断位
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // 检查队尾的节点的状态,清理掉CANCELLED的节点。
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;    // 重新获取lastWaiter
    }
    // 新建一个CONDITION节点放到队尾
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

/**
 * 释放当前状态值,返回已保存的状态
 */
final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        int savedState = getState();
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

/**
 * 是不是在Sync队列里
 */
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    if (node.next != null) // 这种情况node一定在Sync队列中
        return true;
    // 从队尾往前找node,找到返回true,否则返回false(这种情况很少发生)
    return findNodeFromTail(node);
}

总结一下,await其实就做了几件事:

  1. 将当前线程的Condition节点放入等待队列中。
  2. 释放Sync中的锁。
  3. 确认节点不在Sync中了,调用park挂起线程。等待signal唤醒。
  4. 唤醒后竞争锁。

注:await不会消化中断异常,如果在await前就interrupt了,在await第一行就会抛出异常。而在await中进行interrupt的话,也会抛出异常。

3.5.2、signal()

调用Condition的signal()方法,将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点(条件队列里的首节点),在唤醒节点前,会将节点移到CLH同步队列中。

public final void signal() {
    //检测当前线程是否为拥有独占锁
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //头节点,唤醒条件队列中的第一个节点
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

private void doSignal(Node first) {
    do {
        //修改头结点,完成旧头结点的移出工作
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&    //将节点移动到CLH同步队列中
            (first = firstWaiter) != null);
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;    // CAS失败,说明node已经被CANCELLED了

    //将节点加入到syn队列中去,返回的是syn队列中node节点前面的一个节点
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    //如果结点p的状态为cancel 或者修改waitStatus失败,则直接唤醒
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

可以发现,signal主要是拿到Condition队列里的第一个节点并调用doSignal方法,主要做了以下几件事:

  1. 修改节点waitStatus(把要唤醒的节点waitStatus从CONDITION改为0)。
  2. 把节点放入syn队列中(这样该节点就可以竞争锁了)。
  3. 如果节点在Sync队列的前一个节点状态是CANCELLED,或者把状态改为SIGNAL时失败了,立即唤醒当前节点竞争锁(如果不这么做,这么节点将永远不会被唤醒去竞争锁,导致一直等待)。

signalAll其实就是多次signal。它从Condition队列的首节点一直遍历到最后去调用transferForSignal,这里就不讲了。

3.5.3、使用

我们可以使用Condition实现顺序执行

public class SyncConditionTest {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static final Condition CONDITION_A = lock.newCondition();
    private static final Condition CONDITION_B = lock.newCondition();
    private static final Condition CONDITION_C = lock.newCondition();
    private static volatile int nextPrintWho = 1;

    public static void main(String[] args) {
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    while (nextPrintWho != 1) {
                        CONDITION_A.await();
                    }
                    System.out.println("ThreadA");
                    nextPrintWho = 2;
                    CONDITION_B.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    while (nextPrintWho != 2) {
                        CONDITION_B.await();
                    }
                    System.out.println("ThreadB");
                    nextPrintWho = 3;
                    CONDITION_C.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        Thread threadC = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    while (nextPrintWho != 3) {
                        CONDITION_C.await();
                    }
                    System.out.println("ThreadC");
                    nextPrintWho = 1;
                    CONDITION_C.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        Thread[] aArray = new Thread[2];
        Thread[] bArray = new Thread[2];
        Thread[] cArray = new Thread[2];
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            aArray[i] = new Thread(threadA);
            bArray[i] = new Thread(threadB);
            cArray[i] = new Thread(threadC);
            aArray[i].start();
            bArray[i].start();
            cArray[i].start();
        }
    }
}

输出结果:

ThreadA
ThreadB
ThreadC
ThreadA
ThreadB
ThreadC

3.6、小结

本节我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)以及Condition的源码,相信大家都有一定认识了。

值得注意的是,acquire()和acquireSahred()两种方法下,线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的,acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是,这里相应的源码跟acquire()和acquireSahred()差不多,这里就不再详解了。

4、Mutex(互斥锁)

Mutex是一个不可重入的互斥锁实现。锁资源(AQS里的state)只有两种状态:0表示未锁定,1表示锁定。下边是Mutex的核心源码:

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
    // 自定义同步器
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 判断是否锁定状态
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // 尝试获取资源,立即返回。成功则返回true,否则false。
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量
            if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1,不可重入!
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 尝试释放资源,立即返回。成功则为true,否则false。
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1; // 限定为1个量
            if (getState() == 0)//既然来释放,那肯定就是已占有状态了。只是为了保险,多层判断!
                throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);//释放资源,放弃占有状态
            return true;
        }
    }

    // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器!
    private final Sync sync = new Sync();

    //lock<-->acquire。两者语义一样:获取资源,即便等待,直到成功才返回。
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样:尝试获取资源,要求立即返回。成功则为true,失败则为false。
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    //unlock<-->release。两者语文一样:释放资源。
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    //锁是否占有状态
    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
}

同步类在实现时一般都将自定义同步器(sync)定义为内部类,供自己使用;而同步类自己(Mutex)则实现某个接口,对外服务。当然,接口的实现要直接依赖sync,它们在语义上也存在某种对应关系!!而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase,至于线程的排队、等待、唤醒等,上层的AQS都已经实现好了,我们不用关心。

除了Mutex,ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多,不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点,AQS的核心便被攻破了!

OK,至此,整个AQS的讲解也要落下帷幕了。希望本文能够对学习Java并发编程的同学有所借鉴,中间写的有不对的地方,也欢迎讨论和指正~

5、参考

Java并发之AQS详解



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