【后端面经-Java】AQS详解

Posted on 2023-06-29 08:44  CrazyPixel  阅读(394)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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1. AQS是什么？

AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock。
简单来说，AQS定义了一套框架，来实现同步类。

2. AQS核心思想

2.1 基本框架

AQS的核心思想是对于共享资源，维护一个双端队列来管理线程，队列中的线程依次获取资源，获取不到的线程进入队列等待，直到资源释放，队列中的线程依次获取资源。
AQS的基本框架如图所示：

2.1.1 资源state

state变量表示共享资源，通常是int类型。

  1. 访问方法
    state类型用户无法直接进行修改，而需要借助于AQS提供的方法进行修改，即getState()、setState()、compareAndSetState()等。
  2. 访问类型
    AQS定义了两种资源访问类型:
    • 独占（Exclusive）:一个时间点资源只能由一个线程占用；
    • 共享（Share）:一个时间点资源可以被多个线程共用。

2.1.2 CLH双向队列

CLH队列是一种基于逻辑队列非线程饥饿的自旋公平锁，具体介绍可参考此篇博客。CLH中每个节点都表示一个线程，处于头部的节点获取资源，而其他资源则等待。

  1. 节点结构
    Node类源码如下所示：
static final class Node {
    // 模式，分为共享与独占
    // 共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;        
    // 结点状态
    // CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消
    // SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark
    // CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中
    // PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
    // 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;        

    // 结点状态
    volatile int waitStatus;        
    // 前驱结点
    volatile Node prev;    
    // 后继结点
    volatile Node next;        
    // 结点所对应的线程
    volatile Thread thread;        
    // 下一个等待者
    Node nextWaiter;
    
    // 结点是否在共享模式下等待
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    // 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        // 保存前驱结点
        Node p = prev; 
        if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常
            throw new NullPointerException();
        else // 前驱结点不为空，返回
            return p;
    }
    
    // 无参构造方法
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    
    // 构造方法
        Node(Thread thread, Node mode) {    // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    
    // 构造方法
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

Node的方法和属性值如图所示：

其中,

  • waitStatus表示当前节点在队列中的状态；
  • thread表示当前节点表示的线程；
  • prev和next分别表示当前节点的前驱节点和后继节点；
  • nextWaiterd当存在CONDTION队列时，表示一个condition状态的后继节点。
  1. waitStatus
    结点的等待状态是一个整数值，具体的参数值和含义如下所示：
  • 1-CANCELLED，表示节点获取锁的请求被取消，此时节点不再请求资源；
  • 0，是节点初始化的默认值；
  • -1-SIGNAL,表示线程做好准备，等待资源释放；
  • -2-CONDITION，表示节点在condition等待队列中，等待被唤醒而进入同步队列；
  • -3-PROPAGATE，当前线程处于共享模式下的时候会使用该字段。

2.2 AQS模板

AQS提供一系列结构，作为一个完整的模板，自定义的同步器只需要实现资源的获取和释放就可以，而不需要考虑底层的队列修改、状态改变等逻辑。
使用AQS实现一个自定义同步器，需要实现的方法：

  • isHeldExclusively()：该线程是否独占资源，在使用到condition的时候会实现这一方法；
  • tryAcquire(int)：独占模式获取资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
  • tryRelease(int):独占模式释放资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
  • tryAcquireShared(int)：共享模式获取资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
  • tryReleaseShared(int)：共享模式释放资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;

一般来说，一个同步器是资源独占模式或者资源共享模式的其中之一，因此tryAcquire(int)和tryAcquireShared(int)只需要实现一个即可，tryRelease(int)和tryReleaseShared(int)同理。
但是同步器也可以实现两种模式的资源获取和释放，从而实现独占和共享两种模式。

3. 源码分析

3.1 acquire(int)

acquire(int)是获取源码部分的顶层入口，源码如下所示：

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

这段代码展现的资源获取流程如下：

  • tryAcquire()尝试直接去获取资源；获取成功则直接返回
  • 如果获取失败，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
  • acquireQueued()使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。

简单总结就是：

  • 获取资源；
  • 失败就排队；
  • 排队要等待。

从上文的描述可见重要的方法有三个：tryAquire()、addWaiter()、acquireQueued()。下面将逐个分析其源码：

3.1.1 tryAcquire(int)

tryAcquire(int)是获取资源的方法，源码如下所示：

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

该方法是一个空方法，需要自定义同步器实现，因此在使用AQS实现同步器时，需要重写该方法。这也是“自定义的同步器只需要实现资源的获取和释放就可以”的体现。

3.1.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

addWaiter(Node.EXCLUSIVE)是将线程加入等待队列的尾部，源码如下所示：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
    //aquire()方法是独占模式，因此直接使用Exclusive参数。
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    //尝试快速方式直接放到队尾。
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }

    //上一步失败则通过enq入队。
    enq(node);
    return node;
}

首先，使用模式将当前线程构造为一个节点，然后尝试将该节点放入队尾，如果成功则返回，否则调用enq(node)将节点放入队尾，最终返回当前节点的位置指针。
其中，enq(node)方法是将节点加入队列的方法，源码如下所示：

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列
        // 保存尾结点
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化
            if (compareAndSetHead(new Node())) // 头节点为空，并设置头节点为新生成的结点
                tail = head; // 头节点与尾结点都指向同一个新生结点
        } else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过
            // 将node结点的prev域连接到尾结点
            node.prev = t; 
            if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node
                // 设置尾结点的next域为node
                t.next = node; 
                return t; // 返回尾结点
            }
        }
    }
}

3.1.3 acquireQueued(Node node, int arg)

这部分源码是将线程阻塞在等待队列中，线程处于等待状态，直到获取到资源后才返回，源码如下所示：

// sync队列中的结点在独占且忽略中断的模式下获取(资源)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标志
    boolean failed = true;
    try {
        // 中断标志
        boolean interrupted = false;
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取node节点的前驱结点
            final Node p = node.predecessor(); 
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱为头节点并且成功获得锁
                setHead(node); // 设置头节点
                p.next = null; // help GC
                failed = false; // 设置标志
                return interrupted; 
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())//
                //shouldParkAfterFailedAcquire只有当该节点的前驱结点的状态为SIGNAL时，才可以对该结点所封装的线程进行park操作。否则，将不能进行park操作。
                //parkAndCheckInterrupt首先执行park操作，即禁用当前线程，然后返回该线程是否已经被中断
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

acquireQueued(Node node, int arg)方法的主要逻辑如下：

  • 获取node节点的前驱结点,判断前驱节点是不是头部节点head，有没有成功获取资源。
  • 如果前驱结点是头部节点head并且获取了资源，说明自己应该被唤醒，设置该节点为head节点等待下一个获得资源；
  • 如果前驱节点不是头部节点或者没有获取资源，则判断是否需要park当前线程，
    • 判断前驱节点状态是不是SIGNAL，是的话则park当前节点，否则不执行park操作；
  • park当前节点之后，当前节点进入等待状态，等待被其他节点unpark操作唤醒。然后重复此逻辑步骤。

3.2 release(int)

release(int)是释放资源的顶层入口方法，源码如下所示：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) { // 释放成功
        // 保存头节点
        Node h = head; 
        if (h != null && h.waitStatus != 0) // 头节点不为空并且头节点状态不为0
            unparkSuccessor(h); //释放头节点的后继结点
        return true;
    }
    return false;
}

release(int)方法的主要逻辑如下：

  • 尝试释放资源，如果释放成功则返回true，否则返回false；
  • 释放成功之后，需要调用unparkSuccessor(h)唤醒后继节点。

下面介绍两个重要的源码函数：tryRelease(int)和unparkSuccessor(h)。

3.2.1 tryRelease(int)

tryRelease(int)是释放资源的方法，源码如下所示：

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

这部分是需要自定义同步器自己实现的，要注意的是返回值需要为boolean类型，表示释放资源是否成功。

3.2.2 unparkSuccessor(h)

unparkSuccessor(h)是唤醒后继节点的方法，源码如下所示：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //这里，node一般为当前线程所在的结点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

这部分主要是查找第一个还处于等待状态的节点，将其唤醒；
查找顺序是从后往前找，这是因为CLH队列中的prev链是强一致的，从后往前找更加安全，而next链因为addWaiter()方法和cancelAcquire()方法的存在，不是强一致的，因此从前往后找可能会出现问题。这部分的具体解释可以参考参考文献-1

3.3 acquireShared(int)和releaseShared(int)

3.3.1 acquireShared(int)

是使用共享模式获取共享资源的顶层入口方法，源码如下所示：

public final void acquireShared(int arg) {
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireShared(arg);
}

流程如下：

  • 通过tryAcquireShared(arg)尝试获取资源，如果获取成功则直接返回；
  • 如果获取资源失败，则调用doAcquireShared(arg)将线程阻塞在等待队列中，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。

其中，tryAcquireShared(arg)是获取共享资源的方法，也是需要用户自己实现。

而doAcquireShared(arg)是将线程阻塞在等待队列中，直到获取到资源后才返回，具体流程和acquireQueued()方法类似，
源码如下所示：

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
    boolean failed = true;//是否成功标志
    try {
        boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//前驱
            if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
                int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
                if (r >= 0) {//成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }

            //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

3.3.2 releaseShared(int)

releaseShared(int)是释放共享资源的顶层入口方法，源码如下所示：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源
        doReleaseShared();//唤醒后继结点
        return true;
    }
    return false;
}

流程如下：

  • 使用tryReleaseShared(arg)尝试释放资源，如果释放成功则返回true，否则返回false；
  • 如果释放成功，则调用doReleaseShared()唤醒后继节点。

下面介绍一下doReleaseShared()方法，源码如下所示：

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                unparkSuccessor(h);//唤醒后继
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        if (h == head)// head发生变化
            break;
    }
}

4. 面试问题模拟

Q：AQS是接口吗？有哪些没有实现的方法？看过相关源码吗？

AQS定义了一个实现同步类的框架，实现方法主要有tryAquire和tryRelease，表示独占模式的资源获取和释放，tryAquireShared和tryReleaseShared表示共享模式的资源获取和释放。
源码分析如上文所述。

参考资料

  1. Java并发之AQS详解
  2. JUC锁: 锁核心类AQS详解
  3. 从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用