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从ReentrantLock角度解析AQS原创

11月前
217045

是它,是它,就是它,并发包的基石;

一、概述

一般情况下,大家系统中至少也是JDK8了,那想必对于JDK5加入的一系列功能并不陌生吧。那时候重点加入了java.util.concurrent并发包,我们简称为JUC。JUC下提供了很多并发编程实用的工具类,比如并发锁lock、原子操作atomic、线程池操作Executor等等。下面,我对JUC做了整理,大致分为下面几点:

基于JDK8,今天重点来聊下JUC并发包下的一个类,AbstractQueuedSynchronizer

首先,浅显的从名字上看,抽象的队列同步器;实际上,这名字也跟它的作用如出一辙。抽象,即需要被继承;队列同步器,其内部维护了一个队列,供线程入队等待;最终实现多个线程访问共享资源的功能。

二、源码解析

进入AbstractQueuedSynchronizer内部,需要掌握三个重要的属性:

private transient volatile Node head;

private transient volatile Node tail;

private volatile int state;
  • head:标记等待队列头部节点。
  • tail:标记等待队列尾部节点。
  • state:线程的锁定状态;state=0,表示资源未被上锁;state>0,表示资源被上锁

我们调试AQS的源码,必须寻找一个源码调试的切入点,我这里用我们并发编程常用的Lock锁作为调试AQS的切入点,因为这是解决线程安全问题常用的手段之一。

2.1、源码的切入点

AQS的源码调试,从Lock接口出发,JDK源码定义如下:

public interface Lock {

    void lock();

    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    boolean tryLock();

    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    void unlock();

    Condition newCondition();
}

从源码中看到,Lock是一个接口,所以该接口会有一些实现类,其中有一个实现类ReentrantLock,可重入锁,想必大家都不会陌生。

2.2、ReentrantLock的lock方法

通过跟踪源码可以看到,ReentrantLock#lock内部实现貌似比较简单,只有简短的一行代码

public void lock() {
    sync.lock();
}

其实内部是维护了一个Sync的抽象类,调用的是Sync的lock()方法。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;

    abstract void lock();

    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

    protected final boolean isHeldExclusively() {
        return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
    }
    // ...
}

可以看到,Sync也是个抽象类,它有两个实现类:NonfairSyncFairSync,这里其实就引出了我们今天的主角,AbstractQueuedSynchronizerSync继承了它。

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

下面我整理了这一系列类的UML图

通过类图可知,lock()方法最终调用的是ReentrantLock类下,内部类NonfairSyncFairSync的lock方法;对于这两个类,前者叫非公平锁,后者叫公平锁。通过ReentrantLock的构造器可知,默认使用NonfairSync类。

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

NonfairSync类的lock方法出发,引出第一个AQS下的方法compareAndSetState。

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

从compareAndSetState方法的命名可以发现,就是比较并交换的意思,典型的CAS无锁机制。

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

我们可以观察到,这里其实调用的是Unsafe类的compareAndSwapInt方法,传入的expect为0,update为1;意思是如果当前值为0,那我就把值最终更新为1。

Unsafe这个类下面,发现好多方法都是用native这个关键词进行修饰的(也包括compareAndSwapInt方法),用native关键词修饰的方法,表示原生的方法;原生方法的实现并不是Java语言,最终实现是C/C++;这并不是本文的讨论范围。

回到AQS的compareAndSetState方法,返回值是boolean类型,true表示值更新为1成功,false表示不成功。这里出现两个分支,成功,走setExclusiveOwnerThread方法;不成功,走acquire方法。咱优先讨论acquire方法。

2.3、AQS的acquire方法

先来看一下该方法的源码;

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

这里的核心是两个方法,tryAcquire方法和acquireQueued方法。首先会调用tryAcquire()方法,看方法命名是尝试获取;实际上这个方法确实在就在做一件事“尝试获取资源”。

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

不过AQS中的这个方法是protected修饰,并没有去实现,仅仅只是预留了方法入口,后期需要由其子类去实现;这里的子类就是上文中的NonfairSync类,该类的源码在上文中已经贴出。这段源码其实运用了我们常见的一个设计模式,“模板方法模式”。

2.4、NonfairSync的tryAcquire方法

NonfairSync的tryAcquire方法源码如下

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

这里并没有直接去实现tryAcquire方法,而是调用了Sync类下的nonfairTryAcquire方法。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

这里有个getState方法,最终返回的是AQS中的state字段,这个字段就是多个线程抢占的共享资源,所以这个字段很重要volatile关键字修饰,保证内存的可见性,int类型,对于ReentrantLock锁而言,当state=0时,表示无锁,当state>0时,表示资源已被线程锁定。

下面分析下这段代码:

  • 如果state=0表示无锁,通过cas去更新state的值,这里更新为1。
  • 将持有锁的线程更新为当前线程。
  • 如果上述cas未更新成功,或者state!=0,表示已上锁。
  • 继续判断下持有锁的线程如果是当前线程,state字段做叠加,这里表示ReentrantLock的含义,表示可重入锁。
  • 最后,state!=0,持有锁的线程也不是当前线程,表示不能对资源加锁,返回false。

tryAcquire方法的判断至此结束,不过最终的走向需要看它的返回值;返回true,表示当前线程抢占到锁,或者当前线程就是抢占锁的线程,直接重入,加锁流程结束;返回false,表示没有抢占到锁,流程继续,这里就引出下个话题,CLH线程等待队列。

2.5、AQS的addWaiter方法

2.5.1、CLH队列

首先咱来看一段源码中的注释

The wait queue is a variant of a "CLH" (Craig, Landin, and Hagersten) lock queue. CLH locks are normally used for spinlocks

大致意思是:CLH队列是由Craig、Landin、Hagersten这三位老哥名字的首字母叠加在一起命名的,它是一个等待队列,它是一个变种队列,用到了自旋。

这里的信息要抓住三点:等待队列、变种队列、自旋。

2.5.2、Node类

在解析addWaiter方法实现之前,就不得不提到一个内部类Node;addWaiter方法的入参是这个类型,所以先来看看这个类。源码如下:

static final class Node {
    
    static final Node SHARED = new Node();
    
    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;

    volatile int waitStatus;

    volatile Node prev;

    volatile Node next;

    volatile Thread thread;

    Node nextWaiter;

    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }

    Node() {
    }

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

    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

这里先大致介绍下,每个属性的意思:

  • SHARED:类型就是Node,表示共享模式。
  • EXCLUSIVE:类型也是Node,表示独占模式,这里的ReentrantLock就是独占模式。
  • waitStatus:int类型,当前Node节点下,存储的线程状态。
  • CANCELLED:int类型,等于1,waitStatus属性的值之一,表示节点被取消状态。
  • SIGNAL:int类型,等于-1,waitStatus属性的值之一,表示当前节点需要去唤醒下一个节点。
  • CONDITION:int类型,等于-2,waitStatus属性的值之一,表示节点处于等待状态。
  • PROPAGATE:int类型,等于-2,waitStatus属性的值之一,表示下一个被获取的对象应该要无条件传播,该值仅在共享模式下使用。
  • prev:Node类型,指向队列中当前节点的前一个节点。
  • next:Node类型,指向队列中当前节点的下一个节点。
  • thread:存储当前线程信息。
  • nextWaiter:用来存储节点的指针,不过会出现两种情况;等待队列中,会将该属性的值设置成SHARED或者EXCLUSIVE,用来区分当前节点处于共享模式还是独享模式;条件队列中,用于存放下一个节点的指针,所以当是条件队列的情况下,这个队列是单向队列。
  • isShared():返回是否属于共享模式,true表示共享模式,false表示独享模式。
  • predecessor():获取当前节点的前一个节点。

另外,Node类还有两个有参构造器:
从作者的注释就能看出来,第一个构造器是在等待队列的时,创建节点使用,第二个构造器是在条件队列时,创建节点使用。

2.5.3、方法解析

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

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;
            }
        }
    }
}

其实这段方法是在创建Node对象,Node对象就是组成CLH队列的基础元素。

  • 创建一个Node对象,mode参数由上述的acquire()方法传递而来,可以看到传入Node.EXCLUSIVE,表示独占模式。
  • 判断队尾有指向节点,刚创建的节点放入队列的队尾,并且通过cas将队尾指针改成当前创建节点,最后返回当前创建节点。
  • 如果队尾没有指向节点,调用enq方法,做队列的初始化操作。
  • 这里出现了第一个自旋,enq方法是无限循环的,就像作者注释的一样,Must initialize,必须初始化。
  • 这里先是重新new了一个新的node(也可以叫空节点),标记它为队列头。
  • 随后再将addWaiter方法中创建的node,加入到队列尾。

总结下addWaiter方法干的事情:

  1. 创建一个节点,存储当前线程,并标记独占模式。
  2. 判断队列是否为空,不为空,通过cas将存储当前线程的node节点加入到对尾,并且对该节点做对尾标记。
  3. 队列为空,通过自旋,做初始化操作。
  4. 初始化过后的队列,队列头是一个空节点,队列尾是存储当前线程的节点。

2.6、AQS的acquireQueued方法

还是先来看下这个方法的源码;

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

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

    node.thread = null;

    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    Node predNext = pred.next;

    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        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 {
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}

从这个方法看到,又是运用了无限循环,需要分两个步骤去观察:1.当前方法中的判断,自己的上一个节点是否是头部节点(头部节点就是占用资源的节点);2.当前节点正式入队列,并且被挂起。

2.6.1、acquireQueued方法中的判断

当前节点的前一个节点是队列头部,意味着当前节点的前一个节点,就是持有资源的节点;当资源被释放,当前节点会去尝试争夺锁资源;如果拿到锁资源,当前节点会被标记为队列头部节点,它的上个节点(老的头部节点)会被置为null,需要被GC及时清除,所以作者在这里添加了一个注释:help GC;下图就是描述了这个流程:

2.6.2、shouldParkAfterFailedAcquire方法实现

如果当前节点的上一个节点,并不是头部节点;这里就需要用到上述Node类中介绍的各种状态字段了;先来重点介绍下Node类中的两个状态属性:

  • CANCELLED:int类型,等于1,waitStatus属性的值之一,表示节点被取消
  • SIGNAL:int类型,等于-1,waitStatus属性的值之一,表示当前节点需要去唤醒下一个节点

进入的shouldParkAfterFailedAcquire这个方法内部,该方法接受两个参数:当前节点前一个节点和当前节点。首先,获取上一个节点的waitStatus属性,然后通过这个属性做如下判断:

  1. 如果状态是SIGNAL(即等于-1),直接返回true,后续就会交给parkAndCheckInterrupt方法去将当前线程挂起。
  2. 如果不是SIGNAL,对于当前ReentrantLock而言,ws>0的操作是满足的,所以下面的步骤就是当前节点一直往前寻找,跳过已被标记状态为CANCELLED的节点,直到找到状态是SIGNAL的节点,将该节点作为当前节点的上一个节点。也印证了SIGNAL状态的解释:当前节点的上一个节点是SIGNAL,那么当前节点需要挂起,等待被唤醒。最后进入下个循环,直到上个节点状态是SIGNAL,执行上面的第一步,返回true。

这里可以想象成一个排队去食堂打饭的场景,你在低头玩手机前,跟你前面的同学说,我玩会手机,快到了叫我一下;结果你前面的同学嫌队伍长走了(CANCELLED状态),所以你只能继续找他的上一个同学;直到有同学回答你,好的(该同学被标记SIGNAL状态);然后你就低头玩手机,等待回答你“好的”的那个同学叫你。

  1. 最后compareAndSetWaitStatus方法其实不用看也知道,通过cas机制,将当前节点的上一个节点的waitStatus修改成SIGNAL状态,这样的话,当前节点才能被挂起,等待唤醒。

再来看下parkAndCheckInterrupt这个方法

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

// LockSupport#park
public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
}

其中最终又是这个Unsafe类,通过它的原生方法park,去挂起当前线程,这里就不展开赘述了。

2.7、资源上锁总结

下面整理下从lock方法作为切入点,一系列的调用:

2.8、ReentrantLock的unlock方法

之前一直在讲资源“上锁”,那么这个方法就是给资源解锁。这里给出重要的部分源码

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

// AQS中
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    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;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

// ReentrantLock中
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

2.9、ReentrantLock的tryRelease方法

在调用unlock方法去解锁后,最终是调用AQS中的release方法去实现这个解锁功能的;在该方法中,首先会调用ReentrantLock中的tryRelease方法,去做state状态值的递减操作。

  1. 首先,获取state值(在AQS中有这个公共属性,上文提到过),这里是对当前state值减去1。
  2. 再判断当前解锁的线程与持有锁的线程是不是同一个,不是的话,直接抛异常。所以t线程占用锁,只有t线程才能解锁,解铃还须系铃人。
  3. 最后判断做完递减的值是不是等于0,如果为0,将持有锁的线程清空,更新state字段为递减值(这里是0),最后返回true,代表锁已经被释放了。
  4. 如果不是0,更新state字段为递减值(不是0),也不会清空持有锁的线程,意味着资源还是被线程加锁中,最后返回false。

2.10、AQS的release方法

在tryRelease方法返回false的时候,release方法并不会做任何操作,直接就结束了,意味着解锁并没有完成;
但是在返回true的时候,具体分以下几部操作:

  1. 拿到CLH队列被标记头部的节点。
  2. 判断不是空(队列不能是空的),并且头部节点的等待状态不是0,在这种情况下,它只能是-1(SIGNAL),所以是需要去唤醒下个节点的。
  3. 最后,调用AQS中的unparkSuccessor方法,去唤醒线程。

2.11、AQS的unparkSuccessor方法

上面说到了,这个方法主要是用来唤醒线程的,下面还是做一下具体的解析:

  1. 该方法传参是一个Node节点,这里传入的是被标记队列头的节点(头部节点是持有锁资源的节点)。
  2. 拿到头部节点的waitStatus状态属性,并且判断小于0的情况下(该情况是waitStatus=-1),通过cas机制将头部节点的状态改为0,初始化状态。
  3. 拿到头部节点的下个节点,也就是真正意义上处于等待中的第一个节点。
  4. 它还是先判断了这个拿到的节点是否为null,或者状态大于0(亦或说判断状态等于1);如果条件成立,说明头节点的下个节点是空,或者下个节点被取消了。
  5. 如果第四个判断条件满足,从队尾一直从后往前找,找到离头节点最近的那个节点。
  6. 通过Unsafe类的unpark原生方法去唤醒上述找到的,距离头部节点最近的未处于取消状态下的节点。

2.12、资源解锁总结

通过上面的描述可以发现,资源解锁是相对简单的;它只能被上锁的线程去解锁;通过递减AQS内部维护的state属性值,直到state减为0,表示资源已被解锁;当资源被解锁后,需要通过Unsafe的unpark方法,去唤醒CLH队列中,被挂起的第一个节点上的线程。

2.13、公平锁与非公平锁的差异

在2.2中说过,当我们使用无参构造器创建一把“锁”的时候,默认是使用NonfairSync这个内部类,也就是非公平锁;但是在源码中发现ReentrantLock还存在一个有参构造器,参数是一个boolean类型;

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

很明显,这种方式就是将选择权交给开发人员,当我们传入true时,就会创建一把“公平锁”。还是一样,先来看下公平锁的内部;

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

从源码的角度,咱来看下,为什么一个叫“非公平锁”,另一个叫“公平锁”?

其实不难发现,NonfairSync内部的lock方法,它是一上来就通过cas机制去抢占state公共资源,抢不到才去执行acquire方法实现后续入队列等一系列的操作;而这里FairSync的lock方法,它是直接执行acquire方法,执行后续的操作。等于非公平锁,会去多争取一次资源,对于在CLH队列中等待的线程,是“不公平”的。

除了lock方法存在差异之外,在tryAcquire方法中,也存在着不同。FairSync类中,会多执行hasQueuedPredecessors方法,它是AQS下的一个公用方法,下面具体看下这个方法;

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail;
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

只有简短的几行,却有很多种可能性,但是整个方法主要功能就是判断当前线程是否需要入队列:返回false,队列为空,不对等待;返回true,队列不是空,去排队等待。下面需要重点讲下这一行代码:return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());

2.13.1、hasQueuedPredecessors返回false

返回false,情况也有两种:1、h != t** **是false,2、h != t是true,并且 (s = h.next) == null 是false, s.thread != Thread.currentThread()是false。

第一种情况比较简单,意思是头结点和尾节点是同一个,说明队列是空的,不需要排队等待,所以直接返回false。

第二种情况,头尾不是同一个节点,头部节点的下个节点也不是空,并且头部节点的下一个节点就是当前线程。
其实就可以理解为,前面的资源刚释放,正好轮到当前线程来抢占资源,这种情况相对较少。

2.13.2、hasQueuedPredecessors返回true

返回true,有两种情况:1、h != t是true,并且 (s = h.next) == null 是true。2、h != t是true,并且 (s = h.next) == null 是false, s.thread != Thread.currentThread()是true。

1、这里的头尾不是同一个节点是必要满足的条件,保证了队列起码不是空的。然后(s = h.next) == null 满足是true,这里解释起来就必须回顾下enq初始化队列这个方法。

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;
            }
        }
    }
}

从这个方法可知,先是将节点的prev指向前一个节点,然后再通过cas修改尾部标识,最后再将前一个节点的next指向当前节点;因此AQS,入队操作是非原子性的

继续回到判断本身,头部节点拿到锁在执行;中间节点没拿到锁在入队;此时头部节点执行完后释放锁,当前节点尝试不入队拿锁,但是中间线程已经在排队了,但是还没来得及执行t.next = node的操作,导致(s = h.next) == null 满足,所以当前节点必须入队,最终返回true。

2、满足s.thread != Thread.currentThread()的情况,执行到这里,可以明确队列首先不是空,并且h.next != null,也就是头节点之后还有其他节点,最后再判断了下,s.thread != Thread.currentThread为true,也就是头节点的下个节点并不是当前节点,既然如此,那只能乖乖去队列中排队了,所以最终返回true。

三、业务运用

想必大家对于并发锁并不陌生了,上文我也是通过ReentrantLock这个并发锁为入口,一步步来解析AQS中的实现。所以这里就不用ReentrantLock举例,这里换一个同步工具:CountDownLatch,它也是基于AQS来实现的。

CountDownLatch是通过一个计数器来实现的,初始值为线程的数量。每当一个线程完成了自己的任务,计数器的值就相应得减1。当计数器到达0时,表示所有的线程都已执行完毕,然后在等待的线程就可以恢复执行任务。

这个其实跟ReentrantLock思路差不多,一个是state初始值就是0,通过“上锁”一步步叠加这个值;一个是state让使用者自己设定初始值,通过线程调用,一步步递减这个值。

CountDownLatch具体的运用情况如下:1、一个主线程中,需要开启多个子线程,并且要在多个子线程执行完毕后,主线程才能继续往下执行。2、通过多个线程一起执行,提高执行的效率。

下面,通过一个真实的业务场景,来进一步了解下CountDownLatch这个同步工具,具体是怎么使用的。

现在有这么一个接口,查询用户的详情信息;用户信息由五部分组成:1、用户基本信息;2、用户影像信息;3、用户工商信息;4、用户账户信息;5、用户组织架构信息;按照原本的逻辑是按照顺序1-5这样一步步查询,最后组装用户VO对象,接口返回。但是这里可以用上CountDownLatch这个工具类,申请五个线程,分别去查询这五种信息,提高接口效率。

/**
 * @author 往事如风
 * @version 1.0
 * @date 2023/4/11 18:10
 * @description:导出报表
 */
@RestController
public class QueryController {

    @GetMapping("/query")
    public Result download() throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        // 模拟查询数据
        List<String> row1 = CollUtil.newArrayList("aa", "bb", "cc", "dd");
        List<String> row2 = CollUtil.newArrayList("aa1", "bb1", "cc1", "dd1");
        List<String> row3 = CollUtil.newArrayList("aa2", "bb2", "cc2", "dd2");
        List<String> row4 = CollUtil.newArrayList("aa3", "bb3", "cc3", "dd3");
        List<String> row5 = CollUtil.newArrayList("aa4", "bb4", "cc4", "dd4");
        CountDownLatch count = new CountDownLatch(5);
        DataQuery d = new DataQuery();
        // 开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("开始查询数据。。。。");
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println("查询用户基本信息。。。。。。");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            d.setBaseInfo(row1);
            count.countDown();
        });
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println("查询用户影像信息。。。。。。");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            d.setImgInfo(row2);
            count.countDown();
        });
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println("查询用户工商信息。。。。。。");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            d.setBusinessInfo(row3);
            count.countDown();
        });
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println("查询用户账户信息。。。。。。");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            d.setAccountInfo(row4);
            count.countDown();
        });
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println("查询用户组织架构信息。。。。。。");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            d.setOrgInfo(row5);
            count.countDown();
        });
        // 阻塞:直到count的值减为0
        count.await();
        executorService.shutdown();
        // 结束时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("查询结束。。。。。");
        System.out.println("用时时间:" + (end - start));
        return Result.success(d);
    }

    @Data
    class DataQuery {
        private List<String> baseInfo;
        private List<String> imgInfo;
        private List<String> businessInfo;
        private List<String> accountInfo;
        private List<String> orgInfo;
    }
}

/*
控制台输出:
开始查询数据。。。。
查询用户基本信息。。。。。。
查询用户影像信息。。。。。。
查询用户工商信息。。。。。。
查询用户账户信息。。。。。。
查询用户组织架构信息。。。。。。
查询结束。。。。。
用时时间:1017
*/

这段代码做了模拟查询各种用户信息的操作,其中每个线程都暂停1秒,代表在查询这五种数据;最终打印的用时时间是1017ms,说明这五个线程是同时进行的,大大提高了接口的效率。

四、写在最后

AQS提供了一个FIFO队列,这里称为CLH队列,可以看成是一个用来实现同步锁以及其他涉及到同步功能的核心组件,常见的有:ReentrantLockCountDownLatchSemaphore等。

AQS是一个抽象类,主要是通过继承的方式来使用,它本身没有实现任何的同步接口,仅仅是定义了同步状态的获取以及释放的方法来提供自定义的同步组件。

可以这么说,只要搞懂了AQS,那么J.U.C中绝大部分的api都能轻松掌握。

本文主要提供了从ReentrantLock出发,解析了AQS中的各种公用的方法,如果需要知道其他类中怎么去使用AQS中的方法,其实也只需要找到切入点,一步步调试下去即可,不过,我想很多地方都是和ReentrantLock中一致的。

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知了一笑

总结,积累,用心记录。

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