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重大发现,AQS加锁机制竟然跟Synchronized有惊人的相似原创

3周前
248006

在并发多线程的情况下,为了保证数据安全性,一般我们会对数据进行加锁,通常使用Synchronized或者ReentrantLock同步锁。Synchronized是基于JVM实现,而ReentrantLock是基于Java代码层面实现的,底层是继承的AQS。

AQS全称AbstractQueuedSynchronizer,即抽象队列同步器,是一种用来构建锁和同步器的框架。

我们常见的并发锁ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS实现的,所以说不懂AQS实现原理的,就不能说了解Java锁。

当我仔细研究AQS底层加锁原理,发现竟然跟Synchronized加锁原理有惊人的相似。让我突然想到一句名言,记不清怎么说了,意思是框架底层原理很相似,大家多学习底层原理。

Synchronized的加锁流程在前几篇文章已经详细讲过,没看过一块再温习一下。

1. Synchronized加锁流程

我们先想一下Synchronized的加锁需求,如果让你设计Synchronized的对象锁存储结构,该怎么设计?

  1. 多个线程执行到Synchronized代码块,只有一个线程获取锁,然后执行同步代码块(需要记录哪个线程获取了对象锁)。
  2. 其他线程被阻塞(被阻塞的线程,是不是可以用链表设计个阻塞队列?)
  3. 持有锁的线程调用wait方法,释放锁,等待被唤醒(等待的线程,是不是可以用链表设计个等待队列?)。
  4. 被阻塞的线程开始竞争锁
  5. 调用notify方法,唤醒等待的线程,被唤醒的线程进入阻塞队列,一块竞争锁。
    上面描述了Synchronized的加锁流程,Synchronized的对象锁存储结构是不是跟咱们想的一样?实际就是的。
    下面是对象锁的存储数据结构(由C++实现):

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL; // 等待队列,存储处于wait状态的线程
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 阻塞队列,存储处于等待锁block状态的线程
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

image1.png
上图展示了对象锁的基本工作机制:

  1. 当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList队列中阻塞。
  2. 当某个线程获取到对象的对象锁后进入临界区域,并把对象锁中的 _owner变量设置为当前线程,即获得对象锁。
  3. 若持有对象锁的线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的对象锁,_owner变量恢复为null,同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。
  4. 在_WaitSet集合中的线程被唤醒,会被再次放到_EntryList队列中,重新竞争获取锁。
  5. 若当前线程执行完毕也将释放对象锁并复位变量的值,以便其他线程进入获取锁。
    Synchronized对象锁存储结构和加锁流程,竟然跟咱们想的一样。
    再看一下AQS的存储结构和加锁流程,有没有相似的地方。

2. AQS加锁原理

先分析一下,我们使用AQS的加锁需求:

  1. 多个线程执行到acquire方法的时候,只有一个线程获取锁,然后执行同步代码块(需要记录哪个线程获取了对象锁)。
  2. 其他线程被阻塞(被阻塞的线程,是不是可以用链表设计个阻塞队列?名叫”同步队列“?)
  3. 持有锁的线程调用await方法,释放锁,等待被唤醒(等待的线程,是不是可以用链表设计个等待队列?名叫”条件队列“?)。
  4. 被阻塞的线程开始竞争锁
  5. 调用signal方法,唤醒等待的线程,被唤醒的线程进入阻塞队列,一块竞争锁。
    AQS的需求跟Synchronized一模一样。
    我们再看一下AQS实际的加锁机制是怎么设计的?是不是跟Synchronized相似?
    image2.png
    AQS的加锁流程并不复杂,只要理解了同步队列和条件队列,以及它们之间的数据流转,就算彻底理解了AQS。
  6. 当多个线程竞争AQS锁时,如果有个线程获取到锁,就把ower线程设置为自己
  7. 没有竞争到锁的线程,在同步队列中阻塞(同步队列采用双向链表,尾插法)。
  8. 持有锁的线程调用await方法,释放锁,追加到条件队列的末尾(条件队列采用单链表,尾插法)。
  9. 持有锁的线程调用signal方法,唤醒条件队列的头节点,并转移到同步队列的末尾。
  10. 同步队列的头节点优先获取到锁

可以看到AQS和Synchronized的加锁流程几乎是一模一样的,AQS中同步队列就是Synchronized中EntryList,AQS中条件队列就是Synchronized中的waitSet,两个队列之间的数据转移流程也是一样的。

3. 总结

AQS跟Synchronized的加锁流程是一样的,都是通过同步队列和条件队列实现的,阻塞状态的线程被放到同步队列中,等待状态的线程被放到条件队列中,从条件队列唤醒的线程又被转移到同步队列末尾,一块竞争锁。

看完AQS加锁流程,还没有人不懂AQS的?

下篇文章再讲一下AQS加锁具体的源码实现。里面有很多精巧的设计,值得我们学习。
比如:

  • 为什么同步队列要设计成双向链表?而条件队列要设计成单链表?
  • 为什么AQS加锁性能这么好(乐观锁CAS使用)?
  • 同步队列和条件队列中节点怎么用一个对象实现?
  • 释放锁后,怎么唤醒同步队列中线程?

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