Java AbstractQueuedSynchronizer源码阅读1-基于队列的同步器框架

AbstractQueuedSynchronizer是什么

Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues.

AbstractQueuedSynchronizer提供了一个用于实现阻塞锁及其他同步器(如semaphores,events等)的框架,该框架基于一个FIFO的等待队列。如ReentrantLock的实现就是基于这个框架的。

AbstractQueuedSynchronizer的核心实现

AbstractQueuedSynchronizer的核心实现是一个双向队列,队列中的每一个元素是一个Node。Node是AbstractQueuedSynchronizer定义的一个内部类。AbstractQueuedSynchronizer结构的主体代码提取出来如下所示(该处未列出完整代码):

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {  
    static final class Node {
        volatile int waitStatus; //节点的状态
        volatile Node prev;//前向指针
        volatile Node next;//后向指针
        volatile Thread thread;//节点关联的线程
    }
    private transient volatile Node head;//队列的head
    private transient volatile Node tail;//队列的tail
}

这样看起来就十分清晰了。每个Node有一个前向指针prev和一个后向指针、和这个Node关联的thread以及一个状态位。而AbstractQueuedSynchronizer 则维护了一个head节点和一个tail节点。
AbstractQueuedSynchronizer的实现的队列是一种FIFO的队列,它保证位于队列前面的Node(其关联的线程),将总能第一个尝试去争用需要同步的资源。前面的Node(其关联的线程)在释放资源时,会去唤醒后继节点。

队列结构虽然简单,但是在涉及需要同步的场景中,会有多个线程同时使用这一个队列。每个线程均会尝试访问和修改队列的head和tail,并修改与自己关联的Node的prev和next指针,而每个Node又有可能被其他线程访问。所以,可以看到在上述代码的成员变量的声明中,均使用了volatile关键字,使得所有对变量的改动都直接刷新到内存中,而不采取寄存器缓存。

下面将对AbstractQueuedSynchronizer中用于实现互斥锁的两个方法acquire()和release()的源码进行简单阅读,了解下AbstractQueuedSynchronizer的入队和出队,以及对线程的阻塞和唤醒。

acquire()&release()

acquire()和release()是互斥模式(exclusive mode)下的两个方法。acquire()方法可理解为获取互斥锁,release()可理解为释放互斥锁。

acquire()

acquire()用来获取互斥锁。
代码如下:

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

其中有三个主要方法:

  1. tryAcquire():尝试获取锁;
  2. addWaiter():将与当前线程关联的节点加入到队列中;
  3. acquireQueued():再次尝试获取锁,并可能将当前线程彻底挂起。

按照这3个方法的顺序,acquire()做的主要操作就是尝试获取锁,未成功就新建Node并入队,然后再次尝试获取锁(在这次尝试的过程中,可能会将当前线程挂起)。
下面对这3个方法进行介绍。

tryAcquire()

tryAcquire()是尝试获取锁,它是由用户自定义的。
引用AbstractQueuedSynchronizer类的注释

使用AbstractQueuedSynchronizer作为同步将需要重定义以下方法:
tryAcquire
tryRelease
tryAcquireShared
tryReleaseShared
isHeldExclusively
上面每个方法默认实现都是throws UnsupportedOperationException,定义这些方法是使用AbstractQueuedSynchronizer的唯一途径。

现在,我们暂时只需要知道tryAcquire()是和用户的具体实现有关。

addWaiter()

addWaiter()是新建Node并入队,其代码如下:

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//新建与一个当前线程关联的node
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {//如果tail不为空
            node.prev = pred;//将新建的node加入到队尾
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {//调用CAS(CompareAndSet)重新设置tail
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //如果入队失败了,则调用enq()
        enq(node);
        return node;
    }

addWaiter()在tail不为空时,会尝试一次入队。具体操作为将新Node加入队尾,并重设tail为新的Node。

如果上述的入队失败了,则调用enq()方法入队。
enq()代码如下所示

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {//一直循环入队,直到成功
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize,tail为空时,进行初始化
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {//tail不为空时,将新建的node加入到队尾
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

enq()的主体是个循环,会不停循环直到入队成功。
enq()包含两个部分,一是在tail为空时,进行初始化,设置了一个未关联到任何thread的Node为队列的head。
二是在tail不为空时,将新建的node加入到队尾(这部分代码和addWaiter()的刚开始的代码基本一致)。
这两步的流程如下:

  1. 初始化:创建一个未关联到任何线程的Node,并将head和tail指向它(图中用白色背景色的方框表示该节点未关联到任何线程);
一个未关联到任何线程的节点
  1. 新建的node加入到队尾。
新的node入队

从上面看到空队列在加入第一个节点时,会形成一个没有实际意义的head,它指向一个从没关联到任何线程的node。

其实enq()已经实现了入队的操作,而addWaiter()之所以存在相近的代码,应当正如addWaiter()中的注释中所写的一样“Try the fast path of enq”,是尝试一次快速入队,尽量不执行enq()的for和if。

acquireQueued()

当addWaiter()成功入队新建的节点后,便会调用acquireQueued()再次尝试获取锁。
acquireQueued()的代码如下:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();//获取当前节点的前驱节点
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前驱节点是head,则尝试获取锁
                    setHead(node);//如果获取锁成功了,则重新设置head(本质上是一个出队的操作)
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())//如果没能成功获取锁,则要考虑是否将线程挂起了
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

代码的主体部分是个for循环,会不停的循环直到获取到锁,但在循环的过程中可能被挂起。

  1. Node的前驱节点若是head节点,才会尝试获取锁。队列中持有锁的是head节点,只有head节点的successor才有机会去尝试获取锁。
  2. 如果获取成功了(说明head已经将锁释放了),则更新队列的head节点,实质上是一个出队的操作。(setHead(node)方法会将成node的thread置空,这是因为一个node在成为head后,其关联的线程已经成功获取锁,node无需再维护这个线程。因此,head指向的node总是无需关联到任何thread)。
  3. 如果获取失败了,则判断当前线程是否应该park(挂起)了。如果不应该park,会再次循环尝试获取锁;如果应该park,则调用parkAndCheckInterrupt()方法将当前线程挂起。挂起后,当前线程便不会再被调度了,直到被某种方式唤醒。一旦被唤醒,就会继续执行这个循环,再次尝试获取锁。这个方法也只在成功获取到锁之后才会返回(未考虑异常捕获)。
    parkAndCheckInterrupt()的代码很简单,直接将线程park。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

release

release用来释放互斥锁,其代码如下:

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

tryRelease由用户实现,我们先假设执行成功了。接下来:

  1. 如果head是空的,那说明队列已经空了,无需其他操作;
  2. 如果head不为空,则调用unparkSuccessor()去唤醒后继节点(这里略去了waitStatus和其他操作)。

unparkSuccessor()的代码如下:

private void unparkSuccessor(Node node) {
        ...
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
        ...
}

可以看到unparkSuccessor()方法中的unpark()和parkAndCheckInterrupt()中的park()遥相呼应。
后者在acquire()获取锁时,将线程挂起,而前者在release()时,将线程唤醒。

本文主要介绍了AbstractQueuedSynchronizer中双向队列的实现,acquire()中队列的入队和出队操作,以及acquire()对线程的阻塞和release()对线程的释放。

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