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。
AQS的数据结构
看一下AQS
内部的架构设计和包含的属性。
java
// 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。
java
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。
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:
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:
java
// 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:
java
// 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:
java
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:
java
// 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:
再看一下加锁方法的源码:
java
// 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。
java
// 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
java
// 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?
java
// 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:
释放锁的代码逻辑比较简单:
java
// 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。
java
// 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)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 2. 如果后继节点是null或者是取消状态
if (s == null || s.waitStatus > 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)
s = t;
}
// 3. 唤醒这个有效节点
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
3. await等待
await等待的流程:
持有锁的线程可以调用await()方法,在ConditionObject类里面。作用是:释放锁,并追加到条件队列末尾。
java
// 等待方法
public final void await() throws InterruptedException {
// 如果线程已中断,则抛出中断异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 1. 追加到条件队列末尾
Node node = addConditionWaiter();
// 2. 释放锁
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
// 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了,如果还在条件队列,就可以放心地挂起自己
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 4. 如果已经转移到同步队列,就尝试获取锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
// 5. 清除条件队列中已取消的节点
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
再看一下addConditionWaiter方法,是怎么追加到条件队列末尾的?
java
// 追加到条件队列末尾
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// 1. 清除已取消的节点,找到有效节点
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// 2. 创建Node节点,状态是CONDITION(表示处于条件队列)
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
// 3. 追加到条件队列末尾
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}
4. signal唤醒
signal唤醒的流程:
java
// 唤醒条件队列的头节点
public final void signal() {
// 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 2. 找到条件队列的头节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
// 3. 开始唤醒
doSignal(first);
}
// 实际的唤醒方法
private void doSignal(Node first) {
do {
// 4. 从条件队列中移除头节点
if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
// 5. 使用死循环,一定要转移一个节点到同步队列
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
到底是怎么转移到同步队列末尾的?
java
// 实际转移方法
final boolean transferForSignal(Node node) {
// 1. 把节点状态从CONDITION改成0,表示从条件队列转移到同步队列
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
// 2. 使用死循环的方式,追加到同步队列末尾(前面已经讲过)
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL(通知他,别忘了唤醒老弟)
if (ws > 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:
java
// 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) {
// 2. 获取锁失败后,执行的逻辑
doAcquireShared(arg);
}
}
// 获取锁失败,执行的逻辑
private void doAcquireShared(int arg) {
// 1. 把当前线程包装成Node节点追加到同步队列末尾(前面已经讲过)
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (; ; ) {
// 2. 找到前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 3. 如果前驱节点是头结点,就再次尝试获取锁
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 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,。
java
// 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 表示当前头节点已经不再是有效节点,可能是被取消或者已经释放了锁,需要进行传播。
// 再次判断头节点,防止在设置头节点的过程中发生竞争
if (propagate > 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:
java
// 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 <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0) {
// 6. 删除当前节点
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
}
} else {
// 7. 唤醒后继节点
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node;
}
}
2. 释放锁
看一下释放锁的逻辑:
java
// 释放锁,传参是1,表示释放锁一次
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 先尝试释放锁
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 释放锁成功后,要执行的逻辑
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
再看一下释放锁成功后,要执行的 doReleaseShared() 方法的逻辑,作用是:
- 传播共享锁
- 唤醒同步队列中线程
java
// 释放锁成功后,要执行的逻辑
private void doReleaseShared() {
for (; ; ) {
Node h = head;
// 判断是否等于尾节点,如果是尾节点,就不用传播了
if (h != null && h != tail) {
// 判断节点状态,如果是SIGNAL,则需要被唤醒
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 重置head节点状态,表示开始唤醒下个节点。如果重置失败,说明发生了竞争,需要再次尝试。
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) {
continue;
}
// 唤醒下一个节点
unparkSuccessor(h);
// 如果节点状态是0,则需要设置成PROPAGATE,继续传播
} else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) {
continue;
}
}
// 如果头节点没变,表示循环中没有进行头节点的修改,说明已经处理完了需要唤醒的节点,可以退出循环。
if (h == head) {
break;
}
}
}
总结
连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了,下篇带你一块学习ReentrantLock源码,应该就轻松多了。 留个思考题:为什么同步队列使用双链表实现,而条件队列使用单链表实现?