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硬核剖析AQS源码,深入理解底层架构设计原创

2周前
191634

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。
上篇文章讲了AQS的加锁流程,这篇文章再一块看一下AQS具体源码实现。
先回顾一下AQS的加锁流程

1. AQS加锁流程

image1.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。

  1. 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
  2. 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)。
  3. 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)。
  4. 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。
  5. 同步队列的头节点优先获取到锁

了解AQS加锁流程之后,再去看源码就容易理解了。

2. AQS的数据结构


// 继承自AbstractOwnableSynchronizer,为了记录哪个线程占用锁
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
  
    // 同步状态,0表示无锁,每次加锁+1,释放锁-1
    private volatile int state;

    // 同步队列的头尾节点
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;

    // Node节点,用来包装线程,放到队列中
    static final class Node {
        // 节点中的线程
        volatile Thread thread;

        // 节点状态
        volatile int waitStatus;

        // 同步队列的前驱节点和后继节点
        volatile Node prev;
        volatile Node next;

        // 条件队列的后继节点
        Node nextWaiter;
    }

    // 条件队列
    public class ConditionObject implements Condition {
        // 条件队列的头尾节点
        private transient Node firstWaiter;
        private transient Node lastWaiter;
    }
}
  • 首先AQS继承自AbstractOwnableSynchronizer,其实是为了记录哪个线程正在占用锁。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {

    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

    // 设置占用锁的线程
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
        return exclusiveOwnerThread;
    }
}

无论是同步队列还是条件队列中线程都需要包装成Node节点。

image2.png
虽然同步队列和条件队列都是由Node节点组成的,但是同步队列中是使用prev和next组成双向链表,nextWaiter只用来表示是共享模式还是排他模式。

条件队列没有使用到Node中prev和next属性,而是使用nextWaiter组成单链表。

这个复用对象的设计思想值得我们学习。

同步队列head节点是个哑节点,里面并没有存储线程对象。当然head节点也可以看成是给当前持有锁的线程使用的。

Node节点的状态(waitStatus)共有5种:

  1. 1 cancelled:表示线程已经被取消
  2. 0 初始化:Node节点的默认值
  3. -1 signal: 表示节点线程在释放锁后要唤醒同步队列中的下一个节点线程
  4. -2 condition: 当前节点在条件队列中
  5. -3 propagate: 释放共享资源的时候会向后传播释放其他共享节点(用于共享模式)

3. AQS方法概览

AQS支持独占和共享两种访问资源的模式(独占模式又叫排他模式)。

  • 独占模式的方法:
// 加锁
acquire();
// 加可中断的锁
acquireInterruptibly();
// 一段时间内,加锁不成功,就不加了
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 释放锁
release();
共享模式的方法:
// 加锁
acquireShared();
// 加可中断的锁
acquireSharedInterruptibly();
// 一段时间内,加锁不成功,就不加了
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 释放锁
releaseShared();
独占模式和共享模式的方法并没有实现具体的加锁、释放锁逻辑,AQS中只是定义了加锁、释放锁的抽象方法。
  • 留给子类实现的抽象方法:
// 加独占锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放独占锁
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 加共享锁
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放共享锁
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 判断是否是当前线程正在持有锁
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

这里就用到了设计模式中的模板模式,父类AQS定义了加锁、释放锁的流程,子类ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier负责实现具体的加锁、释放锁逻辑。
这不是个面试知识点吗?
面试官再问你,你看过哪些框架源码使用到了设计模式?
你就可以回答AQS源码中用到了模板模式,巴拉巴拉,妥妥的加分项!
image3.jpeg

4. AQS源码剖析

整个加锁流程如下:
image4.png
先看一下加锁方法的源码:

4.1 加锁

// 加锁方法,传参是1
public final void acquire(int arg) {
    // 1. 首先尝试获取锁,如果获取成功,则设置state+1,exclusiveOwnerThread=currentThread(留给子类实现)
    if (!tryAcquire(arg) &&
            // 2. 如果没有获取成功,把线程组装成Node节点,追加到同步队列末尾
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
        // 3. 加入同步队列后,将自己挂起
        selfInterrupt();
    }
}

再看一下addWaiter方法源码,作用就是把线程组装成Node节点,追加到同步队列末尾。

// 追加到同步队列末尾,传参是共享模式or排他模式
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 1. 组装成Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 2. 在多线程竞争不激烈的情况下,通过CAS方法追加到同步队列末尾
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 3. 在多线程竞争激烈的情况下,使用死循环保证追加到同步队列末尾
    enq(node);
    return node;
}

// 创建Node节点,传参是线程,共享模式or排他模式
Node(Thread thread, Node mode) {
   this.thread = thread;
    this.nextWaiter = mode;
}

// 通过死循环的方式,追加到同步队列末尾
private Node enq(final Node node) {
    for (; ; ) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

再看一下addWaiter方法外层的acquireQueued方法,作用就是:

  • 在追加到同步队列末尾后,再判断一下前驱节点是不是头节点。如果是,说明是第一个加入同步队列的,就再去尝试获取锁。
  • 如果获取锁成功,就把自己设置成头节点。
  • 如果前驱节点不是头节点,或者获取锁失败,就逆序遍历同步队列,找到可以将自己唤醒的节点。
  • 最后才放心地将自己挂起
// 追加到同步队列末尾后,再次尝试获取锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (; ; ) {
            // 1. 找到前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 2. 如果前驱节点是头结点,就再次尝试获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 3. 获取锁成功后,把自己设置为头节点
                setHead(node);
                p.next = null;
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 4. 如果还是没有获取到锁,找到可以将自己唤醒的节点
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // 5. 最后才放心地将自己挂起
                    parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法,是怎么找到将自己唤醒的节点的?为什么要找这个节点?

// 加入同步队列后,找到能将自己唤醒的节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    // 1. 如果前驱节点的状态已经是SIGNAL状态(释放锁后,需要唤醒后继节点),就无需操作了
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    // 2. 如果前驱节点的状态是已取消,就继续向前遍历
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 3. 找到了不是取消状态的节点,把该节点状态设置成SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

从代码中可以很清楚的看到,目的就是为了找到不是取消状态的节点,并把该节点的状态设置成SIGNAL。
状态是SIGNAL的节点,释放锁后,需要唤醒其后继节点。
简单理解就是:小弟初来乍到,特意来知会老大一声,有好事,多通知小弟。
再看一下释放锁的逻辑。

4.2 释放锁

释放锁的流程如下:
image5.png
释放锁的代码逻辑比较简单:

// 释放锁
public final boolean release(int arg) {
    // 1. 先尝试释放锁,如果时候成功,则设置state-1,exclusiveOwnerThread=null(由子类实现)
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        // 2. 如果同步队列中还有其他节点,就唤醒下一个节点
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 3. 唤醒其后继节点
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

再看一下唤醒后继节点的方法

// 唤醒后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    // 1. 如果头节点不是取消状态,就重置成初始状态
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    // 2. 如果后继节点是null或者是取消状态
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 3. 从队尾开始遍历,找到一个有效状态的节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 3. 唤醒这个有效节点
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

4.3 await等待

await等待的流程:
image6.jpeg
持有锁的线程可以调用await方法,作用是:释放锁,并追加到条件队列末尾。

// 等待方法
public final void await() throws InterruptedException {
    // 如果线程已中断,则中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 1. 追加到条件队列末尾
    Node node = addConditionWaiter();
    // 2. 释放锁
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了,如果还在条件队列,就可以放心地挂起自己
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 4. 如果已经转移到同步队列,就尝试获取锁
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        // 5. 清除条件队列中已取消的节点
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

再看一下addConditionWaiter方法,是怎么追加到条件队列末尾的?

// 追加到条件队列末尾
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // 1. 清除已取消的节点,找到有效节点
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    // 2. 创建Node节点,状态是-2(表示处于条件队列)
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    // 3. 追加到条件队列末尾
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

4.4 signal唤醒

signal唤醒的流程:
image7.jpeg
唤醒条件队列的头节点,并追加到同步队列末尾。

// 唤醒条件队列的头节点
public final void signal() {
    // 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 2. 找到条件队列的头节点
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        // 3. 开始唤醒
        doSignal(first);
}

// 实际的唤醒方法
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 4. 从条件队列中移除头节点
        if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
        // 5. 使用死循环,一定要转移一个节点到同步队列
    } while (!transferForSignal(first) &&
            (first = firstWaiter) != null);
}

到底是怎么转移到同步队列末尾的?

// 实际转移方法
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 1. 把节点状态从CONDITION改成0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    // 2. 使用死循环的方式,追加到同步队列末尾(前面已经讲过)
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    // 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL(通知他,别忘了唤醒老弟)
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

5. 总结

看完整个AQS的源码,是不是完全理解了AQS加锁、释放锁、以及同步队列和条件队列数据流转的逻辑了。
image1.png
连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了,下篇带你一块学习ReentrantLock源码,应该就轻松多了。

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