并发编程——详解 AQS CLH 锁

  1. 从 acquire 方法开始 —— 获取
  2. 为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点
  3. reelase 方法如何释放锁
  4. 总结

前言

AQS 是 JUC 中的核心,其中封装了资源的获取和释放,在我们之前的 并发编程之 AQS 源码剖析 文章中,我们已经从 ReentranLock 那里分析了锁的获取和释放。但我有必要再次解释 AQS 的核心 CLH 锁。

这里引用一下别人对于 CLH 的解释:

CLH CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks): 是一个自旋锁,能确保无饥饿性,提供先来先服务的公平性。

CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁,申请线程只在本地变量上自旋,它不断轮询前驱的状态,如果发现前驱释放了锁就结束自旋。

Java AQS 的设计对 CLH 锁进行了优化或者说变体。

我们还是从代码开始说起吧。

1. 从 acquire 方法开始 —— 获取

acquire 方法是获取锁的常用方法。代码如下:

public final void acquireQueued(int arg) {
    // 当 tryAcquire 返回 true 就说明获取到锁了,直接结束。
    // 反之,返回 false 的话,就需要执行后面的方法。
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

只要子类的 tryAcquire 方法返回 false,那么就说明获取锁事变,就需要将自己加入队列。

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 创建一个独占类型的节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    // 如果 tail 节点不是 null,就将新节点的 pred 节点设置为 tail 节点。
    // 并且将新节点设置成 tail 节点。
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果 tail 节点是  null,或者 CAS 设置 tail 失败。
    // 在 enq 方法中处理
    enq(node);
    return node;
}

将自己加入了尾部,并更新了 tail 节点。

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // 如果 tail 是 null,就创建一个虚拟节点,同时指向 head 和 tail,称为 初始化。
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {// 如果不是 null
            // 和 上个方法逻辑一样,将新节点追加到 tail 节点后面,并更新队列的 tail 为新节点。
            // 只不过这里是死循环的,失败了还可以再来 。
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

enq 方法的逻辑是什么呢?当 tail 是 null(没有初始化队列),就需要初始化队列了。CAS 设置 tail 失败,也会走这里,需要在 enq 方法中循环设置 tail。直到成功。

注意:这里会创建一个虚拟节点。

2. 为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点

为什么要创建一个虚拟节点呢?

事情要从 Node 类的 waitStatus 变量说起,简称 ws。每个节点都有一个 ws 变量,用于这个节点状态的一些标志。初始状态是 0。如果被取消了,节点就是 1,那么他就会被 AQS 清理。

还有一个重要的状态:SIGNAL —— -1,表示:当当前节点释放锁的时候,需要唤醒下一个节点。

所有,每个节点在休眠前,都需要将前置节点的 ws 设置成 SIGNAL。否则自己永远无法被唤醒

而为什么需要这么一个 ws 呢?—— 防止重复操作。假设,当一个节点已经被释放了,而此时另一个线程不知道,再次释放。这时候就错误了。

所以,需要一个变量来保证这个节点的状态。而且修改这个节点,必须通过 CAS 操作保证线程安全。

So,回到我们之前的问题:为什么要创建一个虚拟节点呢?

每个节点都必须设置前置节点的 ws 状态为 SIGNAL,所以必须要一个前置节点,而这个前置节点,实际上就是当前持有锁的节点。

问题在于有个边界问题:第一个节点怎么办?他是没有前置节点的。

那就创建一个假的。

这就是为什么要创建一个虚拟节点的原因。

总结下来就是:每个节点都需要设置前置节点的 ws 状态(这个状态为是为了保证数据一致性),而第一个节点是没有前置节点的,所以需要创建一个虚拟节点

回到我们的 acquireQueued 方法证实一下:

// 这里返回的节点是新创建的节点,arg 是请求的数量
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            // 找上一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果上一个节点是 head ,就尝试获取锁
            // 如果 获取成功,就将当前节点设置为 head,注意 head 节点是永远不会唤醒的。
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 在获取锁失败后,就需要阻塞了。
            // shouldParkAfterFailedAcquire ---> 检查上一个节点的状态,如果是 SIGNAL 就阻塞,否则就改成 SIGNAL。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

这个方法有 2 个逻辑:

  1. 如何将自己挂起?
  2. 被唤醒之后做什么?

先回答第二个问题: 被唤醒之后做什么?

尝试拿锁,成功之后,将自己设置为 head,断开和 next 的连接。

再看第二个问题:如何将自己挂起?

注意:挂起自己之前,需要将前置节点的 ws 状态设置成 SIGNAL,告诉他:你释放锁的时候记得唤醒我。

具体逻辑在 shouldParkAfterFailedAcquire 方法中:

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    //  如果他的上一个节点的 ws 是 SIGNAL,他就需要阻塞。
    if (ws == Node.SIGNAL)
        // 阻塞
        return true;
    // 前任被取消。 跳过前任并重试。
    if (ws > 0) {
        do {
            // 将前任的前任 赋值给 当前的前任
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        // 将前任的前任的 next 赋值为 当前节点
        pred.next = node;
    } else { 
        // 如果没有取消 || 0 || CONDITION || PROPAGATE,那么就将前任的 ws 设置成 SIGNAL.
        // 为什么必须是 SIGNAL 呢?
        // 答:希望自己的上一个节点在释放锁的时候,通知自己(让自己获取锁)
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    // 重来
    return false;
}

该方法的主要逻辑就是将前置节点的状态修改成 SIGNAL。其中如果前置节点被取消了,就跳过他。

那么肯定,在前置节点释放锁的时候,肯定会唤醒这个节点。看看释放的逻辑吧。

3. reelase 方法如何释放锁

先来一波代码:

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        // 所有的节点在将自己挂起之前,都会将前置节点设置成 SIGNAL,希望前置节点释放的时候,唤醒自己。
        // 如果前置节点是 0 ,说明前置节点已经释放过了。不能重复释放了,后面将会看到释放后会将 ws 修改成0.
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

从这个方法的判断就可以看出,head 必须不等于 0。为什么呢?当一个节点尝试挂起自己之前,都会将前置节点设置成 SIGNAL -1,就算是第一个加入队列的节点,在获取锁失败后,也会将虚拟节点设置的 ws 设置成 SIGNAL。

而这个判断也是防止多线程重复释放。

那么肯定,在释放锁之后,肯定会将 ws 状态设置成 0。防止重复操作。

代码如下:

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        // 将 head 节点的 ws 改成 0,清除信号。表示,他已经释放过了。不能重复释放。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    // 如果 next 是 null,或者 next 被取消了。就从 tail 开始向上找节点。
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 从尾部开始,向前寻找未被取消的节点,直到这个节点是 null,或者是 head。
        // 也就是说,如果 head 的 next 是 null,那么就从尾部开始寻找,直到不是 null 为止,找到这个 head 就不管了。
        // 如果是 head 的 next 不是 null,但是被取消了,那这个节点也会被略过。
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 唤醒 head.next 这个节点。
    // 通常这个节点是 head 的 next。
    // 但如果 head.next 被取消了,就会从尾部开始找。
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

如果 ws 小于 0,我们假设是 SIGNAL,就修改成 0. 证实了我们的想法。

如果他的 next 是 null,说明 next 取消了,那么就从尾部开始向上寻找(不从尾部也没办法)。当然找的过程中,也跳过了失效的节点。

最后,唤醒他。

唤醒之后的逻辑是什么样子的还记得吗?

复习一下:拿锁,设置自己为 head,断开前任 head 和自己的连接。

4. 总结

AQS 使用的 CLH 锁,需要一个虚拟 head 节点,这个节点的作用是防止重复释放锁。当第一个进入队列的节点没有前置节点的时候,就会创建一个虚拟的。

来一幅图尝试解释 AQS 吧:

  1. 新增节点时


    image.png
  2. 更新 tail

image.png
  1. 唤醒节点时,之前的 head 取消了
image.png
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