第十一章 AQS

11.1 AQS简介

AQSAbstractQueuedSynchronizer的简称,即抽象队列同步器,从字面意思上理解:

  • 抽象:抽象类,只实现一些主要逻辑,有些方法由子类实现;
  • 队列:使用先进先出(FIFO)队列存储数据;
  • 同步:实现了同步的功能。

那AQS有什么用呢?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同步器,比如我们提到的ReentrantLock,Semaphore,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,只要子类实现它的几个protected方法就可以了,在下文会有详细的介绍。

11.2 AQS的数据结构

AQS内部使用了一个volatile的变量state来作为资源的标识。同时定义了几个获取和改版state的protected方法,子类可以覆盖这些方法来实现自己的逻辑:

getState()
setState()
compareAndSetState()

这三种叫做均是原子操作,其中compareAndSetState的实现依赖于Unsafe的compareAndSwapInt()方法。

而AQS类本身实现的是一些排队和阻塞的机制,比如具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等)。它内部使用了一个先进先出(FIFO)的双端队列,并使用了两个指针head和tail用于标识队列的头部和尾部。其数据结构如图:

img

但它并不是直接储存线程,而是储存拥有线程的Node节点。

11.3 资源共享模式

资源有两种共享模式,或者说两种同步方式:

  • 独占模式(Exclusive):资源是独占的,一次只能一个线程获取。如ReentrantLock。
  • 共享模式(Share):同时可以被多个线程获取,具体的资源个数可以通过参数指定。如Semaphore/CountDownLatch。

一般情况下,子类只需要根据需求实现其中一种模式,当然也有同时实现两种模式的同步类,如ReadWriteLock

AQS中关于这两种资源共享模式的定义源码(均在内部类Node中)。我们来看看Node的结构:

static final class Node {
    // 标记一个结点(对应的线程)在共享模式下等待
    static final Node SHARED = new Node();
    // 标记一个结点(对应的线程)在独占模式下等待
    static final Node EXCLUSIVE = null; 

    // waitStatus的值,表示该结点(对应的线程)已被取消
    static final int CANCELLED = 1; 
    // waitStatus的值,表示后继结点(对应的线程)需要被唤醒
    static final int SIGNAL = -1;
    // waitStatus的值,表示该结点(对应的线程)在等待某一条件
    static final int CONDITION = -2;
    /*waitStatus的值,表示有资源可用,新head结点需要继续唤醒后继结点(共享模式下,多线程并发释放资源,而head唤醒其后继结点后,需要把多出来的资源留给后面的结点;设置新的head结点时,会继续唤醒其后继结点)*/
    static final int PROPAGATE = -3;

    // 等待状态,取值范围,-3,-2,-1,0,1
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev; // 前驱结点
    volatile Node next; // 后继结点
    volatile Thread thread; // 结点对应的线程
    Node nextWaiter; // 等待队列里下一个等待条件的结点


    // 判断共享模式的方法
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    // 其它方法忽略,可以参考具体的源码
}

// AQS里面的addWaiter私有方法
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 使用了Node的这个构造函数
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 其它代码省略
}

注意:通过Node我们可以实现两个队列,一是通过prev和next实现CLH队列(线程同步队列,双向队列),二是nextWaiter实现Condition条件上的等待线程队列(单向队列),这个Condition主要用在ReentrantLock类中。

11.4 AQS的主要方法源码解析

AQS的设计是基于模板方法模式的,它有一些方法必须要子类去实现的,它们主要有:

  • isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

  • tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。

  • tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

  • tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。

  • tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。

这些方法虽然都是protected方法,但是它们并没有在AQS具体实现,而是直接抛出异常(虽然不知道这里为什么不使用抽象方法的实现方式):

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

而AQS实现了一系列主要的逻辑。下面我们从源码来分析一下获取和释放资源的主要逻辑:

11.4.1 获取资源

获取资源的入口是acquire(int arg)方法。arg是要获取的资源的个数,在独占模式下始终为1。我们先来看看这个方法的逻辑:

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

首先调用tryAcquire(arg)尝试去获取资源。前面提到了这个方法是在子类具体实现的。

如果获取资源失败,就通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法把这个线程插入到等待队列中。其中传入的参数代表要插入的Node是独占式的。这个方法的具体实现:

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 生成该线程对应的Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 将Node插入队列中
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 使用CAS尝试,如果成功就返回
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果等待队列为空或者上述CAS失败,再自旋CAS插入
    enq(node);
    return node;
}

// 自旋CAS插入等待队列
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

上面的两个函数比较好理解,就是在队列的尾部插入新的Node节点,但是需要注意的是由于AQS中会存在多个线程同时争夺资源的情况,因此肯定会出现多个线程同时插入节点的操作,在这里是通过CAS自旋的方式保证了操作的线程安全性。

OK,现在回到最开始的aquire(int arg)方法。现在通过addWaiter方法,已经把一个Node放到等待队列尾部了。而处于等待队列的结点是从头结点一个一个去获取资源的。具体的实现我们来看看acquireQueued方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果node的前驱结点p是head,表示node是第二个结点,就可以尝试去获取资源了
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 拿到资源后,将head指向该结点。
                // 所以head所指的结点,就是当前获取到资源的那个结点或null。
                setHead(node); 
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 如果自己可以休息了,就进入waiting状态,直到被unpark()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

这里parkAndCheckInterrupt方法内部使用到了LockSupport.park(this),顺便简单介绍一下park。

LockSupport类是Java 6 引入的一个类,提供了基本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数,归结到Unsafe里,只有两个函数:

  • park(boolean isAbsolute, long time):阻塞当前线程
  • unpark(Thread jthread):使给定的线程停止阻塞

所以结点进入等待队列后,是调用park使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于活跃状态的

当然,获取资源的方法除了acquire外,还有以下三个:

  • acquireInterruptibly:申请可中断的资源(独占模式)
  • acquireShared:申请共享模式的资源
  • acquireSharedInterruptibly:申请可中断的资源(共享模式)

可中断的意思是,在线程中断时可能会抛出InterruptedException

总结起来的一个流程图:

acquire流程

11.4.2 释放资源

释放资源相比于获取资源来说,会简单许多。在AQS中只有一小段实现。源码:

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

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 如果状态是负数,尝试把它设置为0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 得到头结点的后继结点head.next
    Node s = node.next;
    // 如果这个后继结点为空或者状态大于0
    // 通过前面的定义我们知道,大于0只有一种可能,就是这个结点已被取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 等待队列中所有还有用的结点,都向前移动
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果后继结点不为空,
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

参考资料

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