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JAVA之AQS底层原理
footballboy
发布于 2021-4-8 19:11
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LockSupport
LockSupport是线程等待唤醒机制（wait/notify）的改良版本。LockSupport中的 park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和接触阻塞线程。
3种让线程等待和唤醒的方法（线程通信）
方式1：使用Object中的wait()方法让线程等待，notify()方法唤醒线程
synchronized + wait + notify
方式1：使用Object中的wait()方法让线程等待，notify()方法唤醒线程
static Object objectLock = new Object(); // 创建锁
public static void main(String[] args) {
// 创建A线程，进入后打印，并阻塞。
new Thread(() -> {
synchronized (objectLock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进来了！");
objectLock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒！");
}
}, "A").start();
// 创建B线程，用于唤醒
new Thread(() -> {
synchronized (objectLock) {
objectLock.notify();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知！");
}
}, "B").start();
}
wait、notify的限制：
- 我们发现 wait 和 notify 如果不在一个代码块里面，必须与 synchronized 搭配使用，否则会报错。
- 如果我们先使用notify、再使用wait，因为wait是后执行了，所以不能被唤醒。
方式2：使用JUC包中Condition的await()方法让线程等待，signal()方法唤醒线程
Lock + await + signal
// 创建Lock对象，得到condition
static Lock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) {
// 创建A线程，用await方法阻塞
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进来了！");
condition.await();
} finally {
lock.unlock();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒！");
}, "A").start();
// 创建B线程，用于唤醒
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知！");
condition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "B").start();
}
await、signal的限制：
- 和 wait 、notify 的问题一模一样，他们的底层机制是一样的。
方式3：LockSupport类可以阻塞当前线程以及唤醒指定被阻塞的线程
park + unpark，每个线程都有一个 “许可证” ，只有 0 和 1，默认为 0。unpark(Thread t) 方法发放许可证，没许可证就不允许放行。
public static void main(String[] args) {
// 创建A线程，用park()方法阻塞
Thread a = new Thread(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进来了！");
LockSupport.park();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒！");
}, "A");
a.start();
// 创建B线程，用于唤醒
Thread b = new Thread(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知！");
// 唤醒指定线程
LockSupport.unpark(a);
}, "B");
b.start();
}
LockSupport的优势：
- 既不用synchronized或Lock。
- 先唤醒，再阻塞，也能够被唤醒。因为线程已经有了“许可证”了，所以park()方法相当于没执行。
park底层调用了unsafe类的park本地方法。
UNSAFE.park(false, 0L);调用一次 unpark 就加 1，变为 1。调用一次 park 会消费许可证，变回 0。重复调用 unpark 不会积累凭证。
AQS理论
- AQS（AbstractQueuedSynchronizer），抽象的队列同步器。ReentrantLock类里，有一个内部类Sync就是继承的AQS类。
- AQS是用来构建锁 或者 其他同步器组件的重量级基础框架及整个JUC体系的基石。通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作，并通过一个int类型变量表示持有锁的状态。
AQS的作用
和AQS有关的 ：ReentrantLock、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock、Semaphore......
锁和同步器的关系：
- 锁，面向锁的使用者。
- 同步器，面向锁的实现者。
如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁的分配。这个机制主要用的是 CLH队列 的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中，这个队列就是AQS的抽象表现。它将请求共享资源的线程封装成队列的结点（Node），通过 CAS 自旋以及 LockSupport.park() 的方式，维护state变量的状态，使并发达到同步的控制效果。
AQS源码体系
AQS使用一个volatile的int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队，将每条要去抢占资源的线程封装成一个Node结点来实现锁的分配，通过CAS完成对State值的修改。
- 表示同步状态的int成员变量
private volatile int state;
state为 0 就是没人占用，可以去获取资源。大于等于 1，有人占用资源，需要排队。
- CLH队列
CLH队列，是一个双向队列。通过自旋等待，state变量判断是否阻塞。
内部类Node作为载体，装的是需要排队的线程。
- 内部类Node
队列中每一个排队的个体就是一个Node。Node有前结点prev 、 后结点next 、头指针head 、尾指针tail，用于完成双向队列。
Node类里有两个模式：SHARED（表示线程以共享的模式等待锁）、EXCLUSIVE（表示线程以独占的方式等待锁）
类中也有一个int类型的状态变量 waitStatus。意思是等候区其他线程的等待状态。
volatile int waitStatus;
从ReentrantLock开始解读AQS
ReentrantLock类中有个子类Sync继承了AQS类，NonfairSync类和FairSync继承了Sync类。
公平锁和非公平锁实现方法的唯一区别就在于：公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件：hasQueuePredecessors()。
这个是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法。因为公平锁是先排先得。
new一个ReentrantLock类时，不传参数默认是非公平锁（NonfairSync），传入true是公平锁（FairSync）
- 公平锁：讲究先来先到，线程在获取锁时，如果等待队列中以及有线程在等待，那么当前线程就会进入等待队列中。
- 非公平锁：不管是否有等待队列，都会去尝试获得锁。
AQS非公平锁就是，一来就先去插队，如果插队失败，才去乖乖的排队。
银行办理业务案例
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 带入一个银行办理业务的案例来模拟我们的AQS如果进行线程的管理和通知唤醒机制
// 3个线程模拟3个来银行，受理窗口办理业务的顾客
// A 顾客就是第一个顾客，此时手里窗口没有任何人，A可以直接去办理
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println("A线程 进入");
// 办理20分钟
TimeUnit.MINUTES.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "A").start();
// B顾客，由于窗口只有一个（只能一个线程持有锁），B只能等待，进入候客区
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println("B线程 进入");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "B").start();
// C顾客，进入候客区（当A办理完成后，会与B去抢）
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println("C线程 进入");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "C").start();
}
整个ReentrantLock的加锁过程，可以分为三个阶段：
- 尝试加锁
- 加锁失败，线程进入AQS队列
- 线程进入队列后，进入阻塞状态
lock()上锁
调用的是sync类的lock()方法。
如果是FairSync：
final void lock() {
acquire(1);
}
如果是NonfairSync：
/*
底层是unsafe类，尝试用CAS获得锁，成功后设置这个线程拥有访问权限。否则调用acquire
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}/*
unsafe类的方法，传入(0,1)，如果这个对象的内存偏移量的位置，expect如果为 0，就为改为 1
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
//CAS修改成功后，通过AbstractOwnableSynchronizer类的setExclusiveOwnerThread方法，把exclusiveOwnerThread线程设为当前线程。
当第一个顾客发现没人窗口没人后，开始办理业务。state变为1，占用顾客的线程是 currentThread。
第一个客户已经占用了窗口，没那么快完成。第二个客户也调用lock()方法，发现窗口被占用，只能去排队：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
//里面的addWaiter方法、tryAcquire方法、acquireQueue方法都是重点
AQS的tryAcquire方法
我们进入tryAcquire方法发现没有逻辑代码，直接抛出异常。这就是典型的模板方法设计模式。意思是所有子类必须实现这个方法，不实现父类就抛出异常。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
然后发现 ReentrantLock 的 内部类NofairSync 重写了这个方法：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
这个方法其实调用的是内部类Sync 的 nonfairTryAcquire 方法。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread(); //需要排队的第二位顾客
int c = getState(); // 获取当前窗口的状态state（0空闲，1占用）
//如果运气非常的好，窗口恰巧空闲了，就CAS改变状态，把窗口的线程设为自己。
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果当前线程 等于 正在办理业务的线程 （说明获得了多次锁，是可重入锁的理论）
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires; // nextc为当前状态加 1
if (nextc < 0) // overflow（溢出）
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); // 设置状态变量 state
return true;
}
return false;
}
我们传入的第二位顾客再次发现，有人在办理业务，返回 false。
在acquire方法中 !tryAcquire(arg) 取反为 true ，继续判断下面的方法。
- AQS的addWaiter方法
acquire传入的是 Node.EXCLUSIVE 参数（结点的模式）；结点进入队列。private Node addWaiter(Node mode) { //构造Node结点（当前线程，模式） Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 获取Node的尾结点，如果为null，说明队列没有结点。 Node pred = tail; // 当第三个顾客进入的时候，等候区已经有结点了，执行这个代码块。和enq方法相似，尾插法。 if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //如果队列没有结点，调用enq方法准备进入队列 enq(node); return node; }
enq 方法（将节点插入队列）：
private Node enq(final Node node) {
//相当于自旋
for (;;) {
Node t = tail; // t 是尾指针
//如果尾指针为null，说明队列无结点，进行初始化
if (t == null) {
/* 第一个结点并不是我们传入的结点，而是系统new了一个结点作为占位符。
这个结点Thread=null，waitStatus=0，是傀儡结点又称哨兵结点，用于占位。 */
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
//队列有结点后，继续循环，进入下面这个代码块（尾插法，结点的尾、前、后结点都设置好）
} else {
//传入结点的前一个指针指向尾结点
node.prev = t;
//尾指针 指向 传入的节点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node; // 尾结点的下一个节点是 传入的节点
return t; // 返回新插入的尾结点
}
}
}
}
- AQS的acquireQueued方法
传入的参数是 (addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)。final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; //自旋 for (;;) { final Node p = node.predecessor(); //传入结点的上一个结点 // 如果前结点 == 哨兵结点 && 再看窗口能否抢占，失败就false。 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 头结点指向当前节点，节点Thread=null，prev=null，即当前节点变成了新的哨兵结点 setHead(node); // 原哨兵结点的next=null，没有连接了，会被GC回收 p.next = null; failed = false; return interrupted; } //抢占失败后是否park阻塞 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; /* 这时自旋锁，抢占又失败后，继续进入shouldParkAfterFailedAcquire方法， 因为第一次循环已经将前结点的waitStatus的值改为-1，所以返回true。 然后进入parkAndCheckInterrupt方法。 */ /* 锁被释放，其他线程被唤醒后！parkAndCheckInterrupt()返回false，继续自旋！ B线程的前结点就是哨兵结点，执行tryAcquire方法，因为A线程走了，所以成功抢占！返回true */ } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
shouldParkAfterFailedAcquire 方法：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; //查看前结点的waitStatus状态
//SIGNAL值固定为-1
//如果是SIGNAL状态，即等待中，直接返回true。
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
//waitStatus 大于0说明是 CANCELLED 状态
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//把前结点的waitStatus值改为 -1，用于后续唤醒操作
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt 方法：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//阻塞这个线程！这时可以认为已经坐在等待区了。
LockSupport.park(this);
//线程被唤醒后，不被阻塞，这里就返回false
return Thread.interrupted();
}
此时这个acquireQueued方法还没有结束，会被卡在parkAndCheckInterrupt方法内部，如果这个线程被unpark了。就会继续执行acquireQueued方法的代码。
unlock释放锁
调用的是sync类的lock()方法。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
调用AQS的release方法，arg=1.
public final boolean release(int arg) {
//释放一把锁后，返回true
if (tryRelease(arg)) {
// 头结点就是哨兵结点
Node h = head;
// 哨兵的waitStatus为-1，符合条件进入
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h); //
return true;
}
return false;
}
tryRelease 方法，也是一个模板方法，ReentrantLock类的Sync重写了这个方法。
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//如果当前State为1，减去1后为0
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true; //c=0，说明可以解锁，free变为true
setExclusiveOwnerThread(null); //设置当前窗口的占用线程为 null
}
setState(c); //把状态改为相应的值
return free;
}
unparkSuccessor方法，释放锁！
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 传入的是哨兵结点，waitStatus为-1
int ws = node.waitStatus;
// 又把哨兵结点的waitStatus改为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// s是哨兵结点的下一个结点。
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 如果哨兵结点的下一个结点存在，且waitStatus为0，释放锁！
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
此时线程被唤醒，前面acquireQueued里阻塞的其他线程就继续往下执行。
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已于2021-4-8 19:11:34修改
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