AbstractQueuedSynchronizer之AQS
一、可重入锁
可参考：可重入锁和递归锁
1，定义
- 指的是同一线程外层函数获得锁后，再进入该线程的内层方法会自动获取锁(前提：锁对象是同一个对象)。
- Java中的ReentranLock(显示锁)和Synchronized(隐式锁)都是可重入锁，可重入锁的一个优点是可在一定程度避免死锁
- 隐士锁：(即synchronized关键字使用的锁)默认是可重入锁(同步块、同步方法)
2，案例
synchronize隐式锁
public class Demo01_ReentrantLockSynchronizedMethod { public static void main(String[] args) { new Demo01_ReentrantLockSynchronizedMethod().m1(); } private synchronized void m1() { System.out.println("=====外层"); m2(); } private synchronized void m2() { System.out.println("=====中层"); m3(); } private synchronized void m3() { System.out.println("=====内层"); } }
ReentrantLock显示锁
public class Demo01_ReentrantLockShow { static Lock lock = new ReentrantLock(); public static void main(String[] args) { new Thread(()->{ lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==============外部"); lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==============内部"); }finally { lock.unlock(); } }finally { lock.unlock(); // lock.unlock(); } },"t1").start(); new Thread(()->{ lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==========进入方法"); }finally { lock.unlock(); } },"t2").start(); } }
3，原理
- 每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针
- 当执行monitorenter时,如果目标锁对象的计数器为零,那么说明它没有被其他线程持有,Java虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程,并且将其计数器加1,否则需要等待,直至持有线程释放该锁
- 当执行monitorexit时,Java虚拟机则锁对象的计数器减1。计数器为零代表锁已经被释放
二、LockSupport
1，三种线程唤醒等待
a）synchronized，Object的wait和notify
代码
private static void SynchroziedWaitNotify() { new Thread(() -> { //如果注释掉，就会先执行进入程序等待被唤醒 try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } //如果注释掉synchronized 则会报错，因为wait和notify一定要在同步块或同步方法中 synchronized (objectLock) { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========进入"); objectLock.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========结束"); } }, "t1").start(); new Thread(() -> { synchronized (objectLock) { objectLock.notify(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========唤醒"); } }, "t2").start(); }
wait和notify的限制条件：
- wait和notify方法必须要在同步块或同步方法里且成对出现使用。
- 先wait后notify才可以(如果先notify后wait会出现另一个线程一直处于等待状态)
- synchronized是关键字属于JVM层面。monitorenter(底层是通过monitor对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖monitor对象只能在同步块或方法中才能调用wait/notify等方法)
b）Lock，Condition的await和signal
private static void LockAwaitSignal() { new Thread(() -> { //如果把下行这句代码打开,先signal后await,会出现A线程一直处于等待状态 try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } //如果不加lock锁也会出现错误同synchronize lock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========进入"); condition.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }finally { lock.unlock(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========结束"); }, "t1").start(); new Thread(() -> { lock.lock(); try { condition.signal(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========唤醒"); }finally { lock.unlock(); } }, "t2").start(); }
await和signal的限制条件：
- await和signal都需要许出现在lock中，否则会报错
- 必须先await再signal否则会出现线程等待
c）LockSupport的park和unpark
代码
private static void lockSupportParkUnpark() { Thread t1 = new Thread(() -> { try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========进入"); //如果这里有两个LockSupport.park(),因为permit的值为1,上一行已经使用了permit， // 所以下一行被注释的打开会导致程序处于一直等待的状态 LockSupport.park(); LockSupport.park(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========结束"); }, "t1"); t1.start(); new Thread(() -> { //有两个LockSupport.unpark(t1),由于permit的值最大为1,所以只能给park一个通行证 LockSupport.unpark(t1); LockSupport.unpark(t1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=========唤醒"); }, "t2").start(); }
2，LockSupport的描述
- LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语
- LockSupport是一个线程阻塞工具类，所有的方法都是静态方法，可以让线程在任意位置阻塞，阻塞之后也有对应的唤醒方法。归根结底，LockSupport调用的Unsafe中的native代码。
- LockSupport提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞的过程LockSupport和每个使用它的线程都有一个许可(permit)关联。permit相当于1，0的开关，默认是0，每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累凭证。
3，LockSupport的面试题
a）为什么可以先唤醒线程后阻塞线程?
因为unpark获得了一个凭证，之后再调用park方法，就可以名正言顺的凭证消费，故不会阻塞。
b）为什么唤醒两次后阻塞两次，但最终结果还会阻塞线程?
因为凭证的数量最多为1，连续调用两次unpark和调用一次unpark效果一样，只会增加一个凭证;而调用两次park却需要消费两个凭证，证不够，不能放行。
三、AQS的架构
1，AQS是什么
是用来构建锁或者其它同步器组件的重量级基础框架及整个JUC体系的基石，通过内置的CLH(FIFO)队列的变种来完成资源获取线程的排队工作,将每条将要去抢占资源的线程封装成一个Node节点来实现锁的分配，有一个int类变量表示持有锁的状态,通过CAS完成对state值的修改(0表示没有,1表示阻塞次数用于记录可重入)
2，AQS的内部结构体系
四，ReentrantLock非公平锁之lock
1，NonfairSync 继承Sync
static final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L; //非公平锁加锁 final void lock() { //首先尝试修改 state 如果能从0修改为1 则表示当前还没有对象加锁成功 if (compareAndSetState(0, 1)) //修改此时的线程持有者为当前线程 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else //否则就表示当前已经有线程持有锁。此时开始尝试获得锁 acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } }
- 直接尝试加锁的比较并交换，compareAndSetState(0, 1)。
- 如果线程状态state为0，会加锁成功并修改当前线程的持有者
- 如果线程状态state不为0，会加锁失败，会继续一步逻辑2
2,调用AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
//尝试获得锁 public final void acquire(int arg) { //1. tryAcquire(arg) 实际上是调用NonfairSync.tryAcquire(1)。表示当前线程是否获取锁成功 //2. addWaiter(Node.EXCLUSIVE)初始化CLH链表 //3. acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
a）第一步tryAcquire(arg)
先调用NonfairSync.tryAcquire(1)实际也就是a)中的方法，最终调用Sync.nonfairTryAcquire(1)方法。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { //获取当前线程和当前对象锁的状态 final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); //如果状态为0，表示当前锁没有被占有。 修改当前状态为1，并且修改当前持有线程。并且返回获取锁成功 if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //如果 当前线程为持有线程 。nextc指针为当前线程持有锁的数量，表示可重入锁。 并且返回获取锁成功 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } //如果当前线程没有获取到锁，就返回false。 return false; }
- 这时当前线程会继续判断当前state是否为0，如果为0则直接抢占锁compareAndSetState(0, acquires)，如果能抢占成功就直接修改对象的线程持有者。这种情况直接返回true。
- 如果当前线程就是正在执行的线程，就会为state属性加值，也就是可重锁了。这种情况直接返回true。
- 如果当前线程并没有获取到锁则会直接返回false。这时会走b)第二步
b)第二步addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
实际调用AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter(Node mode)，传入的mode为null
private Node addWaiter(Node mode) { //初始化node结点其中Thread为当前线程 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 定义pred为尾结点，第一次调用的情况下当前结点值为null Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //如果pred为null，则执行入CLH链表操作。返回当前链表的上一次出现的尾结点，当不存在尾结点时会构建一个虚结点(但是enq这个方法没有用返回值) //并且把当前传入的节点直接保存到当前链表的尾部 enq(node); //返回当前加入的结点 return node; }
- 始化node结点为当前线程的结点
- 判断tail尾结点是否为null，如果tail尾结点不为空，则将当前初始化的node结点直接加入到双向链表的最后，并令其为尾结点返回当前结点
- 如果tail尾结点为null，则需要执行enq(node)，来初始化话CLH链表。具体为调用AbstractQueuedSynchronizer.enq(final Node node)，其中node为当前线程构建的结点。
private Node enq(final Node node) { //循环自旋 for (;;) { //设置尾结点为t Node t = tail; if (t == null) { //初始化头结点为一个空节点，也叫做哨兵结点(虚结点) if (compareAndSetHead(new Node())) //并设置尾结点=头结点 tail = head; } else { //第二次进入当前循环则得到设置传入结点的前面一个结点为头结点，构建双向链表 node.prev = t; //第二次由于 t = tail = head，故而会比较并交换为单签node结点，也就是设置当前双向链表的尾结点为传入的node结点 if (compareAndSetTail(t, node)) { //设置当前t结点为 虚结点，设置当前虚结点的下一个结点为当前传入的结点。并返回尾结点的上一个结点(第一个线程返回的是头结点,第二个线程返回的是第一个线程的结点) t.next = node; return t; } } } }
- 采用CAS自旋，如果tail尾结点为null，则初始化一个哨兵结点，并设置头结点和尾结点都为当前结点
- 如果tail尾结点不为null，就令当前传入的node结点为尾结点，保留哨兵结点。并返回尾结点的前一个结点。这样就构建了一个双向链表
c）第三步acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
实际调用AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued(final Node node, int arg)，其中node为当前线程构建的结点，arg为1
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { //设置p结点为 当前传入结点的前一个结点,第一次为头结点.第二次为第一次的结点 final Node p = node.predecessor(); //如果p结点为头结点 ,就会再次去尝试获取锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { //如果当前结点获取到锁,会设置头结点为当前结点.并设置p结点的下一个结点为null //这样就是为了释放头结点 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } //二次调用这个方法会返回true , 然后执行parkAndCheckInterrupt会将当前线程挂起 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
- 采用CAS自旋，先获取当前结点的前一个结点p
- 如果p结点为头结点，证明当前结点为队列中下一个需要被调用的线程，首先再次尝试去获取锁
- 如果获取成功，则将当前结点设置为头结点，并将p结点引用置空方便回收。返回false中断当前线程获取锁的操作
- 如果获取失败，此时调用方法shouldParkAfterFailedAcquire，将当前线程park()挂起
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //第一次使用的时候初始化为0 int ws = pred.waitStatus; //SIGNAL为-1,第二次会为true if (ws == Node.SIGNAL) //返回true return true; if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { //第一次走这步,会设置pred结点中的ws为-1 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
- 第一次初始化ws为0，然后修改pre的节点waitstatus为-1，并返回false，自旋继续调用
- 第二次返回true，挂起线程结束循环。
3，最终实现的效果图为
五、ReentrantLock非公平锁之unlock
1，AbstractQueuedSynchronizer.release(int arg)
传入参数arg为-1
public final boolean release(int arg) { //尝试去释放锁 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
- 先尝试释放锁，如果释放成功，则判断如果头结点不为空并且头结点的waitstatus不为0，就是释放队列中的下一个线程
2，尝试释放锁Sync.tryRelease(arg)
protected final boolean tryRelease(int releases) { //将当前状态值减去release 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; }
3，调用AbstractQueuedSynchronizer.unparkSuccessor
private void unparkSuccessor(Node node) { //获取头结点的ws int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) //如果为-1则修改为0 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); //定义s为下一个结点 Node s = node.next; //如果下个结点为null 或者是 下个结点的waitStatus>0 //则从为结点往前遍历,知道碰到waitStatus<=0的结点,赋值给s 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; } //给s线程一个许可证，其实就是按照队列的顺序去释放锁 if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }
六、对比公平锁与非公平锁的区别
从源码层面来看主要有两个地方不一样：
1，非公平锁当调用lock()方法时，当前线程会首先尝试去获取锁，而非公平锁会直接调用acquire(1)方法
2，调用acquire()方法时也不同
非公平锁会再次尝试修改当前锁状态，获得锁；而公平锁会调用hasQueuedPredecessors()方法首先判断是否需要入队列，再决定是否获取当前锁。
public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; Node h = head; Node s; //如果队列没有初始化，也就是不存在等待队列，那么t=null,h=null，会直接返回false。那么非公平锁取反会尝试获取锁 //如果队列已经初始化，那么t肯定不等于h（因为队列初始化之后存在哨兵结点）则 h!=t -> true，那么获取到的s为头结点的下一个结点 //如果s结点为null，则直接返回true，说明当前结点中只存在头结点，这种情况不会出现。因为队列中起码有一个元素 //如果s结点不为null -> false，并且s.thread!=Thread.currentThread() -> false ，说明下一个将要执行的线程为当前线程则不需要排队了，尝试获取锁 //如果s结点不为null -> false，并且s.thread!=Thread.currentThread() -> true说明下一个结点的线程不是当前线程，返回true，需要去排队 return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); }
