J.U.C Review - AQS核心方法解析

文章目录

• AQS简介
• AQS的数据结构
• • state变量
  • 等待队列
• 资源共享模式
• AQS的主要方法源码解析
• • 获取资源
  • 释放资源

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AQS简介

AQS （AbstractQueuedSynchronizer）是一个用来构建锁和同步器的框架。

• 抽象：抽象类，只实现一些主要逻辑，有些方法由子类实现；
• 队列：使用先进先出（FIFO）队列存储数据；
• 同步：实现了同步的功能。

它是一个抽象类，提供了构建同步器的基础功能，子类可以通过实现一些关键的protected方法来创建自定义的同步器。

AQS 主要用于实现各种同步器，如：

• ReentrantLock
• Semaphore
• ReentrantReadWriteLock
• SynchronousQueue
• FutureTask

通过AQS，开发者能够高效地构建各种同步器，满足不同的需求。

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AQS的数据结构

AQS的核心数据结构包括：

state变量

1. state变量 ：用于标识资源的状态。它是一个volatile类型的整型变量。AQS通过以下方法来操作state变量：

   getState()
   setState()
   compareAndSetState()

这些方法都是原子操作，其中compareAndSetState使用了Unsafe的compareAndSwapInt()方法来保证操作的原子性。

等待队列

2. 等待队列 ：AQS使用一个FIFO队列来管理线程的排队和阻塞。这个队列实际上存储的是Node节点，而不是线程对象。每个Node节点包含以下信息：

   static final class Node {
    // 标记一个结点（对应的线程）在共享模式下等待
    static final Node SHARED = new Node();
    // 标记一个结点（对应的线程）在独占模式下等待
    static final Node EXCLUSIVE = null; 

    // waitStatus的值，表示该结点（对应的线程）已被取消
    static final int CANCELLED = 1; 
    // waitStatus的值，表示后继结点（对应的线程）需要被唤醒
    static final int SIGNAL = -1;
    // waitStatus的值，表示该结点（对应的线程）在等待某一条件
    static final int CONDITION = -2;
    /*waitStatus的值，表示有资源可用，新head结点需要继续唤醒后继结点（共享模式下，多线程并发释放资源，而head唤醒其后继结点后，需要把多出来的资源留给后面的结点；设置新的head结点时，会继续唤醒其后继结点）*/
    static final int PROPAGATE = -3;

    // 等待状态，取值范围，-3，-2，-1，0，1
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev; // 前驱结点
    volatile Node next; // 后继结点
    volatile Thread thread; // 结点对应的线程
    Node nextWaiter; // 等待队列里下一个等待条件的结点

    
    // 判断共享模式的方法
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    
    // 其它方法忽略，可以参考具体的源码
}

// AQS里面的addWaiter私有方法
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 使用了Node的这个构造函数
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 其它代码省略
}

• SHARED 和 EXCLUSIVE：分别表示共享模式和独占模式的标记。
• waitStatus ：表示节点的等待状态。它可以是CANCELLED（已取消）、SIGNAL（需要唤醒后继节点）、CONDITION（等待条件）或PROPAGATE（需要继续唤醒后继节点）。

Node节点通过prev和next实现双向队列，支持线程的排队。而通过nextWaiter实现条件队列，主要用于Condition的等待线程。

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资源共享模式

AQS支持两种资源共享模式：

1. 独占模式（Exclusive）：

   • 资源是独占的，一次只能由一个线程获取。例如：ReentrantLock。

2. 共享模式（Share）：

   • 资源可以被多个线程同时获取，具体的资源个数可以通过参数指定。例如：Semaphore、CountDownLatch。

   子类通常只需实现其中一种模式的逻辑。但也有同步类同时实现两种模式，如 ReadWriteLock。

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AQS的主要方法源码解析

AQS的设计基于模板方法模式，提供了一些必须由子类实现的方法。这些方法包括：

• isHeldExclusively()：检查当前线程是否独占了资源。这通常与条件变量的使用有关。
• tryAcquire(int arg)：尝试以独占模式获取资源。
• tryRelease(int arg)：尝试释放资源（独占模式）。
• tryAcquireShared(int arg)：尝试以共享模式获取资源。
• tryReleaseShared(int arg)：尝试释放资源（共享模式）。

这些方法虽然是protected的，但AQS本身并不提供具体的实现，而是抛出UnsupportedOperationException。子类需要实现这些方法以定义具体的资源获取和释放逻辑。例如：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

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获取资源

获取资源的入口方法是acquire(int arg)：

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

1. tryAcquire(arg)：尝试获取资源。如果获取失败，则将当前线程加入等待队列。
2. addWaiter(Node.EXCLUSIVE) ：将线程封装成Node节点并添加到等待队列的尾部。

addWaiter方法源码如下：

 private Node addWaiter(Node mode) {
    // 生成该线程对应的Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 将Node插入队列中
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 使用CAS尝试，如果成功就返回
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果等待队列为空或者上述CAS失败，再自旋CAS插入
    enq(node);
    return node;
}

// 自旋CAS插入等待队列
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

插入等待队列 ：addWaiter方法通过compareAndSetTail和enq方法将节点插入队列尾部。enq方法使用自旋CAS确保线程安全。

获取资源的核心逻辑在acquireQueued方法中：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果node的前驱结点p是head，表示node是第二个结点，就可以尝试去获取资源了
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 拿到资源后，将head指向该结点。
                // 所以head所指的结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
                setHead(node); 
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 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;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

• node.predecessor()：获取节点的前驱节点。
• tryAcquire(arg)：尝试获取资源。
• setHead(node)：设置新的头节点。
• parkAndCheckInterrupt()：将当前线程挂起，直到被唤醒。

这里parkAndCheckInterrupt方法内部使用到了LockSupport.park(this)，
LockSupport类是Java 6 引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数，归结到Unsafe里，只有两个函数：
park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞当前线程

unpark(Thread jthread)：使给定的线程停止阻塞

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释放资源

释放资源的方法是release(int arg)：

 public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 如果状态是负数，尝试把它设置为0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 得到头结点的后继结点head.next
    Node s = node.next;
    // 如果这个后继结点为空或者状态大于0
    // 通过前面的定义我们知道，大于0只有一种可能，就是这个结点已被取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 等待队列中所有还有用的结点，都向前移动
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果后继结点不为空，
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

• tryRelease(arg)：尝试释放资源。
• unparkSuccessor(node)：唤醒等待队列中的下一个线程。