深入理解AbstractQueuedSynchronizer

我欲只争朝夕

发布于 2023-11-9 11:46

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前言

建议先看一下上一个分享：CAS实现原理

JUC中的许多并发工具类ReentrantLock，CountDownLatch等的实现都依赖AbstractQueuedSynchronizer

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AbstractQueuedSynchronizer定义了一个锁实现的内部流程，而如何上锁和解锁则在各个子类中实现，典型的模板方法模式

模板方法模式在一个方法中定义一个算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤

下面举个简单的例子说明一下

咖啡因饮料抽象类

public abstract class CaffeineBeverage {

  final void prepareRecipe() {
      //煮水
      boilWater();
      //酿造
      brew();
      //导入杯子
      pourInCup();
      //添加调味料
      addCondiments();
  }

  protected abstract void brew();

  protected abstract void addCondiments();

  private void boilWater() {
      System.out.println("Boiling water");
  }

  private void pourInCup() {
      System.out.println("Pouring into cup");
  }
}

茶饮料

public class Tea extends CaffeineBeverage{
  @Override
  protected void brew() {
      System.out.println("Steeping the tea");
  }

  @Override
  protected void addCondiments() {
      System.out.println("Adding Lemon");
  }
}

咖啡饮料

public class Coffee extends CaffeineBeverage{
  @Override
  protected void brew() {
      System.out.println("Dripping Coffee through filter");
  }

  @Override
  protected void addCondiments() {
      System.out.println("Adding Sugar and Milk");
  }
}

测试类

public class BeverageTestDrive {

  public static void main(String[] args) {
      Tea tea = new Tea();
      /*Boiling water
      Steeping the tea
      Pouring into cup
      Adding Lemon*/
      tea.prepareRecipe();
  }
}

这里有几个注意的地方

1. boilWater（煮水）和pourInCup（导入杯子）的修饰符为private，表示不让用子类直接用这些方法，也不能重写

2. prepareRecipe（准备食物）方法的修饰符为protected（不写默认为protected）和final，目的是为了让子类用但是不允许子类覆盖、

3. brew（酿造）和addCondiments（添加调味料）的修饰符为abstract，表示子类必须自己定义实现

属性介绍

基于jdk1.8.0_20，AQS内部维护一个FIFO的队列，通过该队列来实现线程的并发访问控制，队列中的元素是一个Node节点

static final class Node {
  //表示当前线程以共享模式持有锁
  static final Node SHARED = new Node();
  //表示当前线程以独占模式持有锁
  static final Node EXCLUSIVE = null;

  static final int CANCELLED =  1;
  static final int SIGNAL    = -1;
  static final int CONDITION = -2;
  static final int PROPAGATE = -3;

  //当前节点的状态
  volatile int waitStatus;

  //前继节点
  volatile Node prev;

  //后继节点
  volatile Node next;

  //当前线程
  volatile Thread thread;

  //存储在condition队列中的后继节点
  Node nextWaiter;

}

这里先说一下park方法，后面会提到，park方法是Unsafe类中的方法，与之对应的是unpark方法。简单来说，当前线程如果执行了park方法，也就是阻塞了当前线程，反之，unpark就是唤醒一个线程。

waitStatus表示节点的状态，包含的状态有

CANCELLED 1 当前节点被取消
SIGNAL 2 表示当前节点的的后继节点将要或者已经被阻塞，在当前节点释放的时候需要unpark后继节点
CONDITION -2 表示当前节点在等待condition，即在condition队列中
PROPAGATE -3 表示releaseShared需要被传播给后续节点（仅在共享模式下使用）
0 当前节点在队列中等待获取锁

再来看AbstractQueuedSynchronizer这个类的属性

//等待队列的头节点
private transient volatile Node head;

//等待队列的尾节点
private transient volatile Node tail;

//加锁的状态，在不同子类中有不同的意义
private volatile int state;

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AQS提供了独占锁和共享锁两种方式，每种方式都有响应中断和不响应中断的区别，所以AQS的锁可以分为如下四类

不响应中断的独占锁(acquire)
响应中断的独占锁(acquireInterruptibly)
不响应中断的共享锁(acquireShared)
响应中断的共享锁(acquireSharedInterruptibly)

而释放锁的方式只有两种

独占锁的释放(release)
共享锁的释放(releaseShared)

我们只看一下不响应中断的独占锁，其他的类似

不响应中断的独占锁

从加锁这一部分开始

//调用ReentrantLock公平锁的lock()方法其实就是调用acquire(1);
public final void acquire(int arg) {
   if (!tryAcquire(arg) &&
       acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
       selfInterrupt();//当前线程将自己中断
}

1. 先尝试获取，如果获取到直接退出，否则进入2

2. 以独占模式将线程包装成Node放到队列中

3. 因为在放到队列的过程中，锁有可能释放了，所以再尝试获取，如果获取到锁则将当前节点设为head节点，退出，否则进入4

4. 一直尝试获取，如果满足阻塞条件，则阻塞，如果被唤醒，则继续尝试获取

5. 当获取到锁时，如果线程获取过程发生中断，则最后将中断补上，即执行selfInterrupt()方法

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1. tryAcquire（尝试获取锁）是让子类实现的

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

这里通过抛出异常来告诉子类要重写这个方法，为什么不将这个方法定义为abstract方法呢？因为AQS有2种功能，独占和共享，如果用abstract修饰，则子类需要同时实现两种功能的方法，对子类不友好

//1.尝试将新节点通过CAS的方式设置为尾节点，如果成功，返回附加着当前线程的节点
//2.如果CAS操作失败，则调用enq方法，循环入队直到成功
private Node addWaiter(Node mode) {
   //1
   Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
   Node pred = tail;
   if (pred != null) {5
       node.prev = pred;
       if (compareAndSetTail(pred, node)) {
           pred.next = node;
           return node;
       }
   }
   //2
   enq(node);
   return node;
}

//循环插入队尾直到CAS成功
private Node enq(final Node node) {
   for (;;) {
       Node t = tail;
       if (t == null) { // 必须初始化
           if (compareAndSetHead(new Node()))
               tail = head;
       } else {
           node.prev = t;
           if (compareAndSetTail(t, node)) {
               t.next = node;
               return t;
           }
       }
   }
}

3.4

//自旋获取锁，直到获取锁成功，或者异常退出
//但是并不是busy acquire，因为当获取失败后会被挂起，由前驱节点释放锁时将其唤醒
//同时由于唤醒的时候可能有其他线程竞争，所以还需要进行尝试获取锁，体现的非公平锁的精髓。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
   boolean failed = true;
   try {
       boolean interrupted = false;
       for (;;) {
           //获取前继节点
           final Node p = node.predecessor();
           //node节点的前继节点是head节点，尝试获取锁
           //如果成功说明head节点已经释放锁了
           //将node设为head开始运行
           if (p == head && tryAcquire(arg)) {
               setHead(node);
               p.next = null; // help GC
               failed = false;
               return interrupted;
           }
           //1.获取锁失败后是否可以挂起
           //2.如果可以挂起，则挂起当前线程（获取锁失败的节点）
           if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
               parkAndCheckInterrupt())
               interrupted = true;
       }
   } finally {
       if (failed)
           cancelAcquire(node);
   }
}

//根据前继节点的状态，是否可以挂起当前获取锁失败的节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
   int ws = pred.waitStatus;
   //前继节点释放时会unpark后继节点，可以挂起
   if (ws == Node.SIGNAL)
       return true;
   if (ws > 0) {
       //将CANCELLED状态的线程清理出队列
       do {
           node.prev = pred = pred.prev;
       } while (pred.waitStatus > 0);
       pred.next = node;
   } else {
       //将前继节点的状态设置为SIGNAL，代表node需要被运行
       compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
       //更新可能失败，所以不能直接返回true
   }
   return false;
}

//挂起线程，返回是否被中断过
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
   LockSupport.park(this);
   return Thread.interrupted();
}

5将中断补上

static void selfInterrupt() {
 Thread.currentThread().interrupt();
}

处理异常退出的node

private void cancelAcquire(Node node) {
   if (node == null)
       return;

   //设置该节点不再关联任何线程
   node.thread = null;

   //跳过CANCELLED节点
   Node pred = node.prev;
   while (pred.waitStatus > 0)
       node.prev = pred = pred.prev;

   //过滤后的前继节点的后继节点
   Node predNext = pred.next;

   //设置状态为取消状态
   node.waitStatus = Node.CANCELLED;

   //当前节点是tail，尝试更新tail节点，设置tail为pred
   //更新失败则返回，成功则设置tail的后继节点为null
   if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
       compareAndSetNext(pred, predNext, null);
   } else {
       //如果当前节点不是head的后继节点：
       //判断当前节点的前继节点的状态是否是SIGNAL，如果不是则尝试设置前继节点的状态为SIGNAL；
       //上面两个条件如果有一个返回true，则再判断前继节点的thread是否不为空；
       //若满足以上条件，则尝试设置当前节点的前继节点的后继节点为当前节点的后继节点
       //也就是相当于将当前节点从队列中删除
       int ws;
       if (pred != head &&
           ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
            (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
           pred.thread != null) {
           Node next = node.next;
           if (next != null && next.waitStatus <= 0)
               compareAndSetNext(pred, predNext, next);
       } else {
           //如果是head的后继节点或者状态判断或设置失败，则唤醒当前节点的后继节点
           unparkSuccessor(node);
       }

       node.next = node; // help GC
   }
}

取消有三种状态

1. 当前节点是tail

2. 当前节点不是head的后继节点，也不是tail

3. 当前节点是head的后继节点

当前节点是tail，将该节点的前继节点的next指向null，也就是把当前节点移出队列

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当前节点不是head的后继节点，也不是tail，这里将node的前继节点的next指向了node的后继节点，即compareAndSetNext(pred, predNext, next)

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当前节点是head的后继节点，直接unpark后继节点

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注意的是最后两种状态都会执行node.next = node，即将next指针指向自己，这关系着后面唤醒的时候是从尾部向前遍历，并且修改指针的这些操作都是CAS操作，并不保证成功

//唤醒后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {

   int ws = node.waitStatus;
   if (ws < 0)
       //清空状态
       compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

   //头结点的下一个节点
   Node s = node.next;
   //为空或者被取消
   if (s == null || s.waitStatus > 0) {
       s = null;
       //从队列尾部向前遍历找到最前面的一个waitStatus小于0的节点
       for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
           if (t.waitStatus <= 0)
               s = t;
   }
   if (s != null)
       //唤醒节点,但并不表示它持有锁，要从阻塞的地方开始运行
       LockSupport.unpark(s.thread);
}

这里要注意一点是从队尾向前遍历，不是从队首向后遍历，可以看一下cancelAcquire方法的处理过程，cancelAcquire只是设置了next的变化，没有设置prev的变化，在最后有这样一行node.next=node，如果这时执行了unparkSuccessor方法，并且向后遍历的话，就成了死循环了，所以这时只有prev是稳定的

接着来看解锁的过程

//调用ReentrantLock公平锁的unlock()方法其实就是调用release(1)
public final boolean release(int arg) {
   //尝试释放锁
   //成功了要唤醒后继节点的线程
   //这样其他线程才有机会执行
   if (tryRelease(arg)) {
       //释放成功后unpark后继节点的线程
       Node h = head;
       if (h != null && h.waitStatus != 0)
           unparkSuccessor(h);
       return true;
   }
   return false;
}

让子类去实现

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

后记

最后说一个用的特别巧的方法，即parkAndCheckInterrupt()方法

//自旋获取锁，直到获取锁成功，或者异常退出
//但是并不是busy acquire，因为当获取失败后会被挂起，由前驱节点释放锁时将其唤醒
//同时由于唤醒的时候可能有其他线程竞争，所以还需要进行尝试获取锁，体现的非公平锁的精髓。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
   boolean failed = true;
   try {
       boolean interrupted = false;
       for (;;) {
           //获取前继节点
           final Node p = node.predecessor();
           //node节点的前继节点是head节点，尝试获取锁
           //如果成功说明head节点已经释放锁了
           //将node设为head开始运行
           if (p == head && tryAcquire(arg)) {
               setHead(node);
               p.next = null; // help GC
               failed = false;
               return interrupted;
           }
           //1.获取锁失败后是否可以挂起
           //2.如果可以挂起，则挂起当前线程（获取锁失败的节点）
           if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
               parkAndCheckInterrupt())
               interrupted = true;
       }
   } finally {
       if (failed)
           cancelAcquire(node);
   }
}

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
   LockSupport.park(this);
   return Thread.interrupted();
}

看acquireQueued这个方法，里面是一个死循环，但是并不会引起CPU使用率飙升，因为获取失败后会被挂起，这个判断是否中断的方法用的特别巧，先举2个例子

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   Thread thread = new Thread();
   thread.start();
   Thread.sleep(1000);
   thread.interrupt();
   boolean flag1 = thread.isInterrupted();
   //false
   System.out.println(flag1);
   boolean flag2 = thread.isInterrupted();
   //false
   System.out.println(flag2);
}

public static void main(String[] args) {
   Thread.currentThread().interrupt();
   boolean flag1 = Thread.interrupted();
   //true
   System.out.println(flag1);
   boolean flag2 = Thread.interrupted();
   //false
   System.out.println(flag2);
}

这里先说一下isInterrupted和interrupted的方法的异同点，2个方法都能返回线程是否是中断状态，所不同的是isInterrupted不会清除这种状态，而interrupted则会清除这种这种状态（即中断状态的复位），所以两次调用interrupted，第一次为true，第二次则为false

为什么AbstractQueuedSynchronizer要用Thread.interrupted()这种方法来返回中断状态呢，我再写2个例子

public static void main(String[] args) {
   LockSupport.park();
   //end被一直阻塞没有输出
   System.out.println("end");
}

public static void main(String[] args) {
   Thread.currentThread().interrupt();
   LockSupport.park();
   //输出end
   System.out.println("end");
}

可以看到当线程被中断时，调用park()方法并不会被阻塞

public static void main(String[] args) {
   Thread.currentThread().interrupt();
   LockSupport.park();
   //返回中断状态，并且清除中断状态
   Thread.interrupted();
   //输出start
   System.out.println("start");
   LockSupport.park();
   //end被阻塞，没有输出
   System.out.println("end");
}

park与wait的作用类似，但是对中断状态的处理并不相同。如果当前线程不是中断的状态，park与wait的效果是一样的；如果一个线程是中断的状态，这时执行wait方法会报java.lang.IllegalMonitorStateException，而执行park时并不会报异常，而是直接返回。

到这我们就能理解为什么要进行中断的复位了

1. 如果当前线程是非中断状态，则在执行park时被阻塞，返回中断状态false

2. 如果当前线程是中断状态，则park方法不起作用，返回中断状态true，interrupted将中断复位，变为false

3. 再次执行循环的时候，前一步已经在线程的中断状态进行了复位，则再次调用park方法时会阻塞

所以这里要对中断进行复位，是为了不让循环一直执行，让当前线程进入阻塞状态，如果不进行复位，前一个线程在获取锁之后执行了很耗时的操作，那么岂不是要一直执行死循环，造成CPU使用率飙升

文章转载自公众号：Java识堂

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java

已于2023-11-9 11:46:32修改

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