J.U.C源码阅读之AQS

锁的框架图

概念理解

1.AQS-- 指AbstractQueuedSynchronizer类。

AQS是java中管理“锁”的抽象类,锁的许多公共方法都是在这个类中实现。AQS是独占锁(例如,ReentrantLock)和共享锁(例如,Semaphore)的公共父类。继承AbstractOwnableSynchronizer类

2.AQS锁的类别 -- 分为“独占锁”和“共享锁”两种。

(01)独占锁-- 锁在一个时间点只能被一个线程锁占有。根据锁的获取机制,它又划分为“公平锁”和“非公平锁”。公平锁,是按照通过CLH等待线程按照先来先得的规则,公平的获取锁;而非公平锁,则当线程要获取锁时,它会无视CLH等待队列而直接获取锁。独占锁的典型实例子是ReentrantLock,此外,ReentrantReadWriteLock.WriteLock也是独占锁。

(02)共享锁-- 能被多个线程同时拥有,能被共享的锁。JUC包中的ReentrantReadWriteLock.ReadLock,CyclicBarrier, CountDownLatch和Semaphore都是共享锁。

3.CLH队列-- Craig, Landin, and Hagersten lock queue

CLH队列是AQS中“等待锁”的线程队列。在多线程中,为了保护竞争资源不被多个线程同时操作而起来错误,我们常常需要通过锁来保护这些资源。在独占锁中,竞争资源在一个时间点只能被一个线程锁访问;而其它线程则需要等待。CLH就是管理这些“等待锁”的线程的队列。

CLH是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候,在并发条件下不会阻塞,而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。

Node是CLH队列的节点,它的几个成员变量:waitStatus/prev/next/thread/nextWaiter

(1)每个Node都会与一个线程对应

(2)prev和next分别代表上一个等待节点和下一个等待节点

(3)waitStatus代表线程等待状态

1->CANCELLED,线程已被取消;

-1->SIGNAL,表示当前线程的后续线程需要被unpark(唤醒);

-2->CONDITION,线程处于Condition休眠状态,等待被唤醒;

-3->PROPAGATE,其他线程获得“共享锁”;

(4)nextWaiter的值为EXCLUSIVE代表“独占锁”,SHARED代表“共享锁”。

4.CAS函数-- Compare And Swap

CAS函数,是比较并交换函数,它是原子操作函数;即,通过CAS操作的数据都是以原子方式进行的。例如,compareAndSetHead(), compareAndSetTail(), compareAndSetNext()等函数。

源码分析

lock()在ReentrantLock.java的FairSync类中实现,它的源码如下:

finalvoidlock() {

acquire(1);

}

其实很多“锁”的实现,本质上来讲都是因为各种“锁”的类拥有一个继承了AQS的syns成员变量,通过重写tryAcquire()类似的方法来完成个性化的需要,最终都是通过syns来实现锁的机制。

AQS类中acquire方法:

1 public final void acquire(int arg) {

2     if (!tryAcquire(arg) &&

3         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

4         selfInterrupt();

5 }

依次解析

(1)tryAcquire

(2)addWaiter

(3)acquireQueued

(4)selfInterrupt

(1)ReentrantLock的FairSync中的tryAcquire的实现:

protected final booleantryAcquire(intacquires) {

finalThread current = Thread.currentThread();

intc = getState(); //获取锁的状态

if(c ==0) {       //c=0代表“锁没有被任何线程占有”

if(!hasQueuedPredecessors() &&         //如果是CLH队列中第一个线程,设置“锁”状态,同时设置“锁”的拥有者为当前线程

compareAndSetState(0,acquires)) {

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;

}

}

else if(current == getExclusiveOwnerThread()) {       //如果“锁”的拥有者已经是当前线程,设置状态即可,可重入

intnextc = c + acquires;

if(nextc <0)

throw newError("Maximum lock count exceeded");

setState(nextc);

return true;

}

return false;

}

(1)tryAcquire的作用就是尝试去获取锁。获取成功返回true,失败则返回false。

(2)addWaiter(Node.EXCLUSIVE):

privateNodeaddWaiter(Node mode) {

Node node =newNode(Thread.currentThread(),mode);

// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure

Node pred =tail;

if(pred !=null) {       //如果CLH队列不为空,添加到队尾

node.prev= pred;

if(compareAndSetTail(pred,node)) {

pred.next= node;

returnnode;

}

}

enq(node);      // 自旋。队列为空创建空队列,否者插入队尾

returnnode;

}

(2)addWaiter的作用是,把当前线程加入到CLH队列中。意味着当前线程加入到获取“锁”的等待线程队列中。

(3)acquireQueued():

final booleanacquireQueued(finalNode node, intarg) {

booleanfailed =true;

try{

booleaninterrupted =false;               //当前线程在休眠时,有没有被中断过

for(;;) {       // 又一个自旋操作

finalNode p = node.predecessor();     //获取前一节点

if(p ==head&& tryAcquire(arg)) {    //不断自旋,当发现自己是队列的老二并且头节点=p是“公平锁”的需要!!!p=head 保证了“当前线程”被唤醒是因为被前继节点unpark()

setHead(node);

p.next=null;// help GC

failed =false;

returninterrupted;

}

if(shouldParkAfterFailedAcquire(p,node) &&     //返回当前线程是否应该被阻塞,当前继节点是SIGNAL状态,意味着当前线程要被unpack唤醒,否者就往前找waitStatus不是CANCEL的线程作为前继节点

parkAndCheckInterrupt())                 //通过LockSupport.park()阻塞当前线程,并且返回中断状态 注:thread.interrupted 会返回中断状态并且清空中断标

interrupted =true;

}

}finally{

if(failed)

cancelAcquire(node);

}

}

private static booleanshouldParkAfterFailedAcquire(Node pred,Node node) {

intws = pred.waitStatus;

if(ws == Node.SIGNAL)

/*

* This node has already set status asking a release

* to signal it, so it can safely park.

*/

return true;

if(ws >0) {

/*

* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and

* indicate retry.

*/

do{

node.prev= pred = pred.prev;

}while(pred.waitStatus>0);

pred.next= node;

}else{

/*

* waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we

* need a signal, but don't park yet.  Caller will need to

* retry to make sure it cannot acquire before parking.

*/

compareAndSetWaitStatus(pred,ws,Node.SIGNAL);

}

return false;

}

private final booleanparkAndCheckInterrupt() {

LockSupport.park(this);

returnThread.interrupted();     注:LockSupport()中的park(),unpack() 和 object中的wait(),notify()作用相似,但是更加轻量级,wait(),notify()必须先通过Synchronized锁获取

}

(3)acquireQueue() 的作用是“当前线程”会根据公平性原则进行阻塞等待,直到获取锁为止;并且返回当前线程在等待过程中有没有被中断过。

(4)acquireQueued()的parkAndCheckInterrupt()方法清除了中断状态

static voidselfInterrupt() {

Thread.currentThread().interrupt();

}

(4)selfInterrupt()的作用就是当前线程自己产生一个中断。

总结:

先是通过tryAcquire()尝试获取锁。获取成功的话,直接返回;尝试失败的话,再通过acquireQueued()获取锁。

尝试失败的情况下,会先通过addWaiter()来将“当前线程”加入到"CLH队列"末尾;然后调用acquireQueued(),在CLH队列中排序等待获取锁,在此过程中,线程处于休眠状态。直到获取锁了才返回。 如果在休眠等待过程中被中断过,则调用selfInterrupt()来自己产生一个中断。

其他:

ReentractLock类的unlock()封装了AQS的release()方法,锁的释放,形式与acquire()类似,这里就不再说了。

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