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本文编写于 885 天前,最后修改于 264 天前,其中某些信息可能已经过时。

Java 并发包(JUC)中提供了很多并发工具,这其中,很多我们耳熟能详的并发工具,譬如 ReentrangLock、Semaphore,它们的实现都用到了一个共同的基类--AbstractQueuedSynchronizer,简称 AQS。AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架,使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器,比如我们提到的 ReentrantLock,Semaphore,其他的诸如 ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。当然,我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

本章我们就一起探究下这个神奇的东东,并对其实现原理进行剖析理解。

基本实现原理

AQS 使用一个 int 成员变量来表示同步状态,通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。

private volatile int state;//共享变量,使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过 procted 类型的 getStatesetStatecompareAndSetState 进行操作

AQS 支持两种同步方式:

  1. 独占式
  2. 共享式

方便使用者实现不同类型的同步组件,独占式如 ReentrantLock,共享式如 Semaphore,CountDownLatch,组合式的如 ReentrantReadWriteLock。总之,AQS 为使用提供了底层支撑,如何组装实现,使用者可以自由发挥。

同步器的设计是基于模板方法模式的,一般的使用方式是这样:

  1. 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单,无非是对于共享资源state的获取和释放)
  2. 将AQS组合在自定义同步组件的实现中,并调用其模板方法,而这些模板方法会调用使用者重写的方法

这其实是模板方法模式的一个很经典的应用。

我们来看看 AQS 定义的这些可重写的方法:

protected boolean tryAcquire(int arg) : 独占式获取同步状态,试着获取,成功返回true,反之为false

protected boolean tryRelease(int arg) :独占式释放同步状态,等待中的其他线程此时将有机会获取到同步状态;

protected int tryAcquireShared(int arg) :共享式获取同步状态,返回值大于等于0,代表获取成功;反之获取失败;

protected boolean tryReleaseShared(int arg) :共享式释放同步状态,成功为true,失败为false

protected boolean isHeldExclusively() : 是否在独占模式下被线程占用。

关于 AQS 的使用,我们来简单总结一下:

如何使用

首先,我们需要去继承 AbstractQueuedSynchronizer 这个类,然后我们根据我们的需求去重写相应的方法,比如要实现一个独占锁,那就去重写 tryAcquire,tryRelease 方法,要实现共享锁,就去重写 tryAcquireShared,tryReleaseShared;最后,在我们的组件中调用AQS中的模板方法就可以了,而这些模板方法是会调用到我们之前重写的那些方法的。也就是说,我们只需要很小的工作量就可以实现自己的同步组件,重写的那些方法,仅仅是一些简单的对于共享资源 state 的获取和释放操作,至于像是获取资源失败,线程需要阻塞之类的操作,自然是 AQS 帮我们完成了。

设计思想

对于使用者来讲,我们无需关心获取资源失败,线程排队,线程阻塞/唤醒等一系列复杂的实现,这些都在 AQS 中为我们处理好了。我们只需要负责好自己的那个环节就好,也就是获取/释放共享资源 state 的姿势T_T。很经典的模板方法设计模式的应用,AQS 为我们定义好顶级逻辑的骨架,并提取出公用的线程入队列/出队列,阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现,将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现即可。

自定义同步器

同步器代码实现

上面大概讲了一些关于 AQS 如何使用的理论性的东西,接下来,我们就来看下实际如何使用,直接采用 JDK 官方文档中的小例子来说明问题

package juc;

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/28.
 */
public class Mutex implements java.io.Serializable {
    //静态内部类,继承AQS
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        //是否处于占用状态
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
        //当状态为0的时候获取锁,CAS操作成功,则state状态为1,
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
        //释放锁,将同步状态置为0
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
    }
        //同步对象完成一系列复杂的操作,我们仅需指向它即可
        private final Sync sync = new Sync();
        //加锁操作,代理到acquire(模板方法)上就行,acquire会调用我们重写的tryAcquire方法
        public void lock() {
            sync.acquire(1);
        }
        public boolean tryLock() {
            return sync.tryAcquire(1);
        }
        //释放锁,代理到release(模板方法)上就行,release会调用我们重写的tryRelease方法。
        public void unlock() {
            sync.release(1);
        }
        public boolean isLocked() {
            return sync.isHeldExclusively();
        }
}

同步器代码测试

测试下这个自定义的同步器,我们使用之前文章中做过的并发环境下 a++ 的例子来说明问题(a++ 的原子性其实最好使用原子类 AtomicInteger 来解决,此处用 Mutex 有点大炮打蚊子的意味,好在能说明问题就好)

package juc;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

/**
 * Created by chengxiao on 2017/7/16.
 */
public class TestMutex {
    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(31);
    private static int a = 0;
    private static  Mutex mutex = new Mutex();

    public static void main(String []args) throws Exception {
        //说明:我们启用30个线程,每个线程对i自加10000次,同步正常的话,最终结果应为300000;
        //未加锁前
        for(int i=0;i<30;i++){
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        increment1();//没有同步措施的a++;
                    }
                    try {
                        barrier.await();//等30个线程累加完毕
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            t.start();
        }
        barrier.await();
        System.out.println("加锁前,a="+a);
        //加锁后
        barrier.reset();//重置CyclicBarrier
        a=0;
        for(int i=0;i<30;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        increment2();//a++采用Mutex进行同步处理
                    }
                    try {
                        barrier.await();//等30个线程累加完毕
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
        barrier.await();
        System.out.println("加锁后,a="+a);
    }
    /**
     * 没有同步措施的a++
     * @return
     */
    public static void increment1(){
        a++;
    }
    /**
     * 使用自定义的Mutex进行同步处理的a++
     */
    public static void increment2(){
        mutex.lock();
        a++;
        mutex.unlock();
    }
}

测试结果:

加锁前,a=279204
加锁后,a=300000

源码分析

我们先来简单描述下 AQS 的基本实现,前面我们提到过,AQS 维护一个共享资源 state,通过内置的 FIFO 来完成获取资源线程的排队工作。(这个内置的同步队列称为"CLH"队列)。该队列由一个一个的 Node 结点组成,每个 Node 结点维护一个 prev 引用和 next 引用,分别指向自己的前驱和后继结点。AQS 维护两个指针,分别指向队列头部 head 和尾部 tail。

aqs_clh

其实就是个双端双向链表

当线程获取资源失败(比如 tryAcquire 时试图设置 state 状态失败),会被构造成一个结点加入 CLH 队列中,同时当前线程会被阻塞在队列中(通过 LockSupport.park 实现,其实是等待态)。当持有同步状态的线程释放同步状态时,会唤醒后继结点,然后此结点线程继续加入到对同步状态的争夺中。

Node结点

Node 结点是 AbstractQueuedSynchronizer 中的一个静态内部类,我们捡 Node 的几个重要属性来说一下

static final class Node {
        /** waitStatus值,表示线程已被取消(等待超时或者被中断)*/
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus值,表示后继线程需要被唤醒(unpaking)*/
        static final int SIGNAL    = -1;
        /**waitStatus值,表示结点线程等待在condition上,当被signal后,会从等待队列转移到同步到队列中 */
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
       /** waitStatus值,表示下一次共享式同步状态会被无条件地传播下去
        static final int PROPAGATE = -3;
        /** 等待状态,初始为0 */
        volatile int waitStatus;
        /**当前结点的前驱结点 */
        volatile Node prev;
        /** 当前结点的后继结点 */
        volatile Node next;
        /** 与当前结点关联的排队中的线程 */
        volatile Thread thread;
        /** ...... */
    }

独占式

获取同步状态--acquire()

来看看 acquire 方法,lock 方法一般会直接代理到 acquire 上

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

我们来简单理一下代码逻辑:

  • 首先,调用使用者重写的 tryAcquire 方法,若返回 true,意味着获取同步状态成功,后面的逻辑不再执行;若返回 false,也就是获取同步状态失败,进入b步骤
  • 此时,获取同步状态失败,构造独占式同步结点,通过 addWatiter 将此结点添加到同步队列的尾部(此时可能会有多个线程结点试图加入同步队列尾部,需要以线程安全的方式添加)
  • 该结点以在队列中尝试获取同步状态,若获取不到,则阻塞结点线程,直到被前驱结点唤醒或者被中断

addWaiter

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//构造结点
        //指向尾结点tail
        Node pred = tail;
        //如果尾结点不为空,CAS快速尝试在尾部添加,若CAS设置成功,返回;否则,eng。
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

先cas快速设置,若失败,进入enq方法,将结点添加到同步队列尾部这个操作,同时可能会有多个线程尝试添加到尾部,是非线程安全的操作。

以上代码可以看出,使用了 compareAndSetTail 这个 cas 操作保证安全添加尾结点。

enq 方法

private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { //如果队列为空,创建结点,同时被head和tail引用
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {//cas设置尾结点,不成功就一直重试
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

enq 内部是个死循环,通过 CAS 设置尾结点,不成功就一直重试。很经典的CAS自旋的用法,我们在之前关于原子类的源码分析中也提到过。这是一种乐观的并发策略

最后,看下 acquireQueued 方法。

acquireQueued

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {//死循环
                final Node p = node.predecessor();//找到当前结点的前驱结点
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前驱结点是头结点,才tryAcquire,其他结点是没有机会tryAcquire的。
                    setHead(node);//获取同步状态成功,将当前结点设置为头结点。
                    p.next = null; // 方便GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 如果没有获取到同步状态,通过shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该阻塞,parkAndCheckInterrupt用来阻塞线程
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

acquireQueued 内部也是一个死循环,只有前驱结点是头结点的结点,也就是老二结点,才有机会去 tryAcquire;若 tryAcquire 成功,表示获取同步状态成功,将此结点设置为头结点;若是非老二结点,或者 tryAcquire 失败,则进入 shouldParkAfterFailedAcquire 去判断判断当前线程是否应该阻塞,若可以,调用 parkAndCheckInterrupt 阻塞当前线程,直到被中断或者被前驱结点唤醒。若还不能休息,继续循环。

shouldParkAfterFailedAcquire

shouldParkAfterFailedAcquire 用来判断当前结点线程是否能休息

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        //获取前驱结点的wait值
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)//若前驱结点的状态是SIGNAL,意味着当前结点可以被安全地park
            return true;
        if (ws > 0) {
        // ws>0,只有CANCEL状态ws才大于0。若前驱结点处于CANCEL状态,也就是此结点线程已经无效,从后往前遍历,找到一个非CANCEL状态的结点,将自己设置为它的后继结点
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            // 若前驱结点为其他状态,将其设置为SIGNAL状态
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

若shouldParkAfterFailedAcquire 返回 true,也就是当前结点的前驱结点为 SIGNAL 状态,则意味着当前结点可以放心休息,进入 parking 状态了。parkAncCheckInterrupt 阻塞线程并处理中断。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);//使用LockSupport使线程进入阻塞状态
    return Thread.interrupted();// 线程是否被中断过
}

至此,关于 acquire 的方法源码已经分析完毕,我们来简单总结下:

  • 首先tryAcquire获取同步状态,成功则直接返回;否则,进入下一环节
  • 线程获取同步状态失败,就构造一个结点,加入同步队列中,这个过程要保证线程安全
  • 加入队列中的结点线程进入自旋状态,若是老二结点(即前驱结点为头结点),才有机会尝试去获取同步状态;否则,当其前驱结点的状态为SIGNAL,线程便可安心休息,进入阻塞状态,直到被中断或者被前驱结点唤醒

释放同步状态--release()

当前线程执行完自己的逻辑之后,需要释放同步状态,来看看 release 方法的逻辑

public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {//调用使用者重写的tryRelease方法,若成功,唤醒其后继结点,失败则返回false
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);//唤醒后继结点
            return true;
        }
        return false;
    }

unparkSuccessor:唤醒后继结点

private void unparkSuccessor(Node node) {
        //获取wait状态
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);// 将等待状态waitStatus设置为初始值0
        Node s = node.next;//后继结点
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {//若后继结点为空,或状态为CANCEL(已失效),则从后尾部往前遍历找到一个处于正常阻塞状态的结点     进行唤醒
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);//使用LockSupprot唤醒结点对应的线程
    }

release 的同步状态相对简单,需要找到头结点的后继结点进行唤醒,若后继结点为空或处于 CANCEL 状态,从后向前遍历找寻一个正常的结点,唤醒其对应线程。

共享式

共享式:共享式地获取同步状态。对于独占式同步组件来讲,同一时刻只有一个线程能获取到同步状态,其他线程都得去排队等待,其待重写的尝试获取同步状态的方法 tryAcquire 返回值为 boolean,这很容易理解;对于共享式同步组件来讲,同一时刻可以有多个线程同时获取到同步状态,这也是“共享”的意义所在。其待重写的尝试获取同步状态的方法 tryAcquireShared 返回值为 int。

 protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
  1. 当返回值大于 0 时,表示获取同步状态成功,同时还有剩余同步状态可供其他线程获取
  2. 当返回值等于 0 时,表示获取同步状态成功,但没有可用同步状态了
  3. 当返回值小于 0 时,表示获取同步状态失败

获取同步状态--acquireShared

public final void acquireShared(int arg) {
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)//返回值小于0,获取同步状态失败,排队去;获取同步状态成功,直接返回去干自己的事儿。
            doAcquireShared(arg);
    }

doAcquireShared

private void doAcquireShared(int arg) {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//构造一个共享结点,添加到同步队列尾部。若队列初始为空,先添加一个无意义的傀儡结点,再将新节点添加到队列尾部。
        boolean failed = true;//是否获取成功
        try {
            boolean interrupted = false;//线程parking过程中是否被中断过
            for (;;) {//死循环
                final Node p = node.predecessor();//找到前驱结点
                if (p == head) {//头结点持有同步状态,只有前驱是头结点,才有机会尝试获取同步状态
                    int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取同步装填
                    if (r >= 0) {//r>=0,获取成功
                        setHeadAndPropagate(node, r);//获取成功就将当前结点设置为头结点,若还有可用资源,传播下去,也就是继续唤醒后继结点
                        p.next = null; // 方便GC
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//是否能安心进入parking状态
                    parkAndCheckInterrupt())//阻塞线程
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

大体逻辑与独占式的 acquireQueued 差距不大,只不过由于是共享式,会有多个线程同时获取到线程,也可能同时释放线程,空出很多同步状态,所以当排队中的老二获取到同步状态,如果还有可用资源,会继续传播下去。

setHeadAndPropagate

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        setHead(node);
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();
        }
    }

释放同步状态--releaseShared

public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();//释放同步状态
            return true;
        }
        return false;
    }

doReleaseShared

private void doReleaseShared() {
        for (;;) {//死循环,共享模式,持有同步状态的线程可能有多个,采用循环CAS保证线程安全
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;
                    unparkSuccessor(h);//唤醒后继结点
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;
            }
            if (h == head)
                break;
        }
    }

代码逻辑比较容易理解,需要注意的是,共享模式,释放同步状态也是多线程的,此处采用了 CAS 自旋来保证。

总结

关于 AQS 的介绍及源码分析到此为止了。

AQS 是 JUC 中很多同步组件的构建基础,简单来讲,它内部实现主要是状态变量 state 和一个 FIFO 队列来完成,同步队列的头结点是当前获取到同步状态的结点,获取同步状态 state 失败的线程,会被构造成一个结点(或共享式或独占式)加入到同步队列尾部(采用自旋 CAS 来保证此操作的线程安全),随后线程会阻塞;释放时唤醒头结点的后继结点,使其加入对同步状态的争夺中。

AQS 为我们定义好了顶层的处理实现逻辑,我们在使用AQS构建符合我们需求的同步组件时,只需重写 tryAcquire,tryAcquireShared,tryRelease,tryReleaseShared 几个方法,来决定同步状态的释放和获取即可,至于背后复杂的线程排队,线程阻塞/唤醒,如何保证线程安全,都由 AQS 为我们完成了,这也是非常典型的模板方法的应用。AQS定义好顶级逻辑的骨架,并提取出公用的线程入队列/出队列,阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现,将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现。

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