并发——抽象队列同步器AQS的实现原理

1|0一、前言


  这段时间在研究Java并发相关的内容,一段时间下来算是小有收获了。ReentrantLockJava并发中的重要部分,所以也是我的首要研究对象,在学习它的过程中,我发现它是基于抽象队列同步器AQS实现的,所以我花了点时间学习了一下AQS的实现原理。这篇博客就来说一说AQS的作用,以及它是如何实现的。


2|0二、正文


2|12.1 什么是AQS


  AQS全称抽象队列同步器(AbstractQuenedSynchronizer),它是一个可以用来实现线程同步的基础框架。当然,它不是我们理解的Spring这种框架,它是一个类,类名就是AbstractQuenedSynchronizer,如果我们想要实现一个能够完成线程同步的锁或者类似的同步组件,就可以在使用AQS来实现,因为它封装了线程同步的方式,我们在自己的类中使用它,就可以很方便的实现一个我们自己的锁。


2|22.2 如何使用AQS


  AQS封装了很多方法,如获取独占锁,释放独占锁,获取共享锁,释放共享锁......我们可以通过在自己的实现的同步组件中调用AQS的这些方法来实现一个线程同步的功能。但是,根据AQS的名称也能够想到,我们不能直接创建AQS的对象,调用这些方法,因为AQS是一个抽象类,我们需要继承AQS,创建它的子类对象来使用它。在实际使用中,一般是在我们自己的类中,以内部类的方式继承AQS,然后在内部创建一个对象,在这个类内部使用,比如ReentrantLock中就是定义了一个抽象内部类Sync,继承AQS,然后定义了一个NonfairSync类,继承SyncNonfairSync是一个非公平锁;同时又定义了一个FairSync类继承SyncFairSync是一个公平锁

公平锁:多个线程按照申请锁的顺序去获得锁,后申请锁的线程需要排队,等它之前的线程获得锁并释放后,它才能获得锁;

非公平锁:线程获得锁的顺序于申请锁的顺序无关,申请锁的线程可以直接尝试获得锁,谁抢到就是谁的;

  我们继承了AQS,就可以直接调用它的方法了吗?当然不是。Java中提供的抽象组件,都是帮我们写好了通用的部分,但是一些具体的部分,还需要我们自己实现。举个比较简单的例子,Java中对自定义类型数组的排序,可以直接调用工具类的sort方法,sort方法已经实现了排序的算法,但是其中的比较过程是抽象的,需要我们自己实现,所以我们一般需要提供一个比较器(Comparator),或者让自定义类实现Comparable接口。这就是模板方法设计模式。

模板方法:在一个方法中实现了一个算法的流程,但是其中的一些步骤是抽象的,需要在子类中实现,或者具体使用时实现。模板方法可以提高算法的复用性,提供了算法的弹性,对于不同的需求,可以通用同一份代码。

  而AQS的实现就是封装了一系列的模板方法,包括获取锁、释放锁等,这些都是模板方法。这些方法中调用的一些方法并没有具体实现,需要使用者根据自己的需求,在子类中进行实现。下面我们就来看看AQS中的这些方法。


2|32.3 AQS中的方法


  AQS底层维护一个int类型的变量state来表示当前的同步状态,根据当前state的值,来判断当前释放处于锁定状态,或者是其他状态。而state的每一个值具体是什么含义,是由我们自己实现的。我们继承AQS时,根据自己的需求,实现一些方法,其中就是通过修改state的值来维持同步状态。而关于state,主要有以下三个方法:

  • **int getState() **:获取当前同步状态state的值;
  • **void setState(int newState) **:设置当前同步状态state的值;
  • **boolean compareAndSetState(int expect, int update) **:使用CAS设置当前同步状态的值,方法能够保证设置同步状态时的原子性;参数expectstate的预期旧值,而update是需要修改的新值,若设置成功,方法返回true,否则false

CAS是一种乐观锁,若不了解,可以看看这篇博客:并发——详细介绍CAS机制

  接下来我们再看一看在继承AQS时,我们可以重写的方法:

  以上这些方法将会在AQS的模板方法中被调用,我们根据自己的需求,重写上述方法,控制同步状态state的值,即可控制线程同步的方式。下面再来看看AQS提供的模板方法:

  AQS提供的模板方法主要分为三类:

  • 独占式地获取和释放锁;
  • 共享式地获取和释放锁;
  • 查询AQS的同步队列中正在等待的线程情况;

  下面我们就来具体说一说AQS是如何实现线程同步的。


2|42.4 AQS如何实现线程同步


  前面提过,AQS通过一个int类型的变量state来记录当前的同步状态,也可以理解为锁的状态,根据state的值的不同,可以判断当前锁是否已经被获取。就拿独占锁来说,若我们要实现的是一个独占锁,则锁被获取后,其他线程将无法获取锁,需要进入阻塞状态,等待锁被释放。而线程获取锁就是通过修改state的值来实现的,一个线程修改state成功,则表示它成功获得了锁;若失败,则表示已经有其他线程获得了锁,则它需要进入阻塞状态。下面我们就来聊一聊AQS如何实现维持多个线程等待的。

  首先说明结论:AQS通过一个同步队列来维护当前获取锁失败,进入阻塞状态的线程。这个同步队列是一个双向链表,获取锁失败的线程会被封装成一个链表节点,加入链表的尾部排队,而AQS保存了链表的头节点的引用head以及链表的尾节点引用tail。这个同步队列如下所示:

  在这个同步队列中,每个节点对应一个线程,每个节点都有一个next指针指向它的下一个节点,以及一个prev指针指向它的上一个节点。队列中的头节点head就是当前已经获取了锁,正在执行的线程对应的节点;而之后的这些节点,则对应着获取锁失败,正在排队的线程(当然,直接就获取锁成功的线程, 不会加入到队列中,而是直接执行)。

  当一个线程获取锁失败,它会被封装成一个Node,加入同步队列的尾部排队,同时线程会进入阻塞状态。也就是说,在同步队列中,除了头节点对应的线程是运行状态,其余的线程都是等待睡眠状态。而当头节点对应的线程释放锁时,它会唤醒它的下一个节点(也就是上图中的第二个节点),被唤醒的节点对应的线程开始尝试获取锁,若获取成功,它就会将自己置为head,然后将原来的head移出队列。接下来我们就通过源码,具体分析一下AQS的实现过程。


2|52.5 独占锁的获取与释放过程


(1)获取锁的实现

  AQS的锁功能齐全,它既可以用来实现独占锁,也可以用来实现共享锁。

独占锁:也叫排他锁,即锁只能由一个线程获取,若一个线程获取了锁,则其他想要获取锁的线程只能等待,直到锁被释放。比如说写锁,对于写操作,每次只能由一个线程进行,若多个线程同时进行写操作,将很可能出现线程安全问题;

共享锁:锁可以由多个线程同时获取,锁被获取一次,则锁的计数器+1。比较典型的就是读锁,读操作并不会产生副作用,所以可以允许多个线程同时对数据进行读操作,而不会有线程安全问题,当然,前提是这个过程中没有线程在进行写操作;

  我们首先分析一下独占锁。在AQS中,通过方法acquire来获取独占锁,acquire方法的代码如下:

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

  上面的方法执行流程如下:

  1. 首先调用tryAcquire尝试获取一次锁,若返回true,表示获取成功,则acquire方法将直接返回;若返回false,则会继续向后执行acquireQueued方法;

  2. tryAcquire返回false后,将执行acquireQueued,但是这个方法传入的参数调用了addWaiter方法;

  3. addWaiter方法的作用是将当前线封装成同步队列的节点,然后加入到同步队列的尾部进行排队,并返回此节点;

  4. addWaiter方法执行完成后,将它的返回值作为参数,调用acquireQueued方法。acquireQueued方法的作用是让当前线程在同步队列中阻塞,然后在被其他线程唤醒时去获取锁;

  5. 若线程被唤醒并成功获取锁后,将从acquireQueued方法中退出,同时返回一个boolean值表示当前线程是否被中断,若被中断,则会执行下面的selfInterrupt方法,响应中断;

      下面我们就来具体分析这个方法中调用的几个方法的执行流程。首先第一个tryAcquire方法:

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

  可以看到,这个方法的实现仅仅只是抛出了一个异常。我们之前提过,AQS是基于模板方法设计模式实现的,在其中定义了许多模板方法,在模板方法中会调用一些没有实现的方法,这些方法需要使用者根据自己的需求实现。而acquire方法就是一个模板方法,其中调用的tryAcquire方法就是需要我们自己实现的方法。tryAcquire的作用就是尝试修改state值,也就是获取锁,若修改成功,则返回true,否则返回false。它的实现需要根据AQS的子类具体分析,比如ReentrantLock中的Sync,这里我就不详细叙述了,后面写一篇专门讲ReentrantLock的博客。下面来看看addWaiter的源码:

// 将线程封装成一个节点,放入同步队列的尾部 private Node addWaiter(Node mode) { // 当前线程封装成同步队列的一个节点Node Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 这个节点需要插入到原尾节点的后面,所以我们在这里先记下原来的尾节点 Node pred = tail; // 判断尾节点是否为空,若为空表示队列中还没有节点,则不执行以下步骤 if (pred != null) { // 记录新节点的前一个节点为原尾节点 node.prev = pred; // 将新节点设置为新尾节点,使用CAS操作保证了原子性 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 若设置成功,则让原来的尾节点的next指向新尾节点 pred.next = node; return node; } } // 若以上操作失败,则调用enq方法继续尝试(enq方法见下面) enq(node); return node; } private Node enq(final Node node) { // 使用死循环不断尝试 for (;;) { // 记录原尾节点 Node t = tail; // 若原尾节点为空,则必须先初始化同步队列,初始化之后,下一次循环会将新节点加入队列 if (t == null) { // 使用CAS设置创建一个默认的节点作为首届点 if (compareAndSetHead(new Node())) // 首尾指向同一个节点 tail = head; } else { // 以下操作与addWaiter方法中的if语句块内一致 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }

  以上就是addWaiter方法的实现过程,我在代码中使用注释对每一步进行了详细的解析,它的执行过程大致可以总结为:将新线程封装成一个节点,加入到同步队列的尾部,若同步队列为空,则先在其中加入一个默认的节点,再进行加入;若加入失败,则使用死循环(也叫自旋)不断尝试,直到成功为止。这个过程中使用CAS保证了添加节点的原子性。下面看看acquireQueued方法的源码:

/** * 让线程不间断地获取锁,若线程对应的节点不是头节点的下一个节点,则会进入等待状态 * @param node the node */ final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 记录失败标志 boolean failed = true; try { // 记录中断标志,初始为true boolean interrupted = false; // 循环执行,因为线程在被唤醒后,可能再次获取锁失败,需要重写进入等待 for (;;) { // 获取当前线程节点的前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 若前一个节点是头节点,则tryAcquire尝试获取锁,若获取成功,则执行if中的代码 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 将当前节点设置为头节点 setHead(node); // 将原来的头节点移出同步队列 p.next = null; // help GC // 失败标志置为false failed = false; // 返回中断标志,acquire方法可以根据返回的中断标志,判断当前线程是否被中断 return interrupted; } // shouldParkAfterFailedAcquire方法判断当前线程是否能够进入等待状态, // 若当前线程的节点不是头节点的下一个节点,则需要进入等待状态, // 在此方法内部,当前线程会找到它的前驱节点中,第一个还在正常等待或执行的节点, // 让其作为自己的直接前驱,然后在需要时将自己唤醒(因为其中有些线程可能被中断), // 若找到,则返回true,表示自己可以进入等待状态了; // 则继续调用parkAndCheckInterrupt方法,当前线程在这个方法中等待, // 直到被其他线程唤醒,或者被中断后返回,返回时将返回一个boolean值, // 表示这个线程是否被中断,若为true,则将执行下面一行代码,将中断标志置为true if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { // 上面代码中只有一个return语句,且return的前一句就是failed = false; // 所以只有当异常发生时,failed才会保持true的状态运行到此处; // 异常可能是线程被中断,也可能是其他方法中的异常, // 比如我们自己实现的tryAcquire方法 // 此时将取消线程获取锁的动作,将它从同步队列中移除 if (failed) cancelAcquire(node); } }

  以上就是acquireQueued方法的源码分析。这个方法的作用可以概括为:让线程在同步队列中阻塞,直到它成为头节点的下一个节点,被头节点对应的线程唤醒,然后开始获取锁,若获取成功才会从方法中返回。这个方法会返回一个boolean值,表示这个正在同步队列中的线程是否被中断。

  到此,获取独占锁的实现就分析完毕了。需要注意的是,这些过程中使用的compareAndSetXXX这种形式的方法,都是基于CAS机制实现的,保证了这些操作的原子性。


(2)释放锁的实现

  分析完获取独占锁的代码后,我们再来看看释放锁的实现。释放独占锁是通过release方法实现的:

public final boolean release(int arg) { // 调用tryRelease尝试修改state释放锁,若成功,将返回true,否则false if (tryRelease(arg)) { // 若修改state成功,则表示释放锁成功,需要将当前线程移出同步队列 // 当前线程在同步队列中的节点就是head,所以此处记录head Node h = head; // 若head不是null,且waitStatus不为0,表示它是一个装有线程的正常节点, // 在之前提到的addWaiter方法中,若同步队列为空,则会创建一个默认的节点放入head // 这个默认的节点不包含线程,它的waitStatus就是0,所以不能释放锁 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 若head是一个正常的节点,则调用unparkSuccessor唤醒它的下一个节点所对应的线程 unparkSuccessor(h); // 释放成功 return true; } // 释放锁失败 return false; }

  以上就是同步队列中头节点对应的线程释放锁的过程。release也是一个模板方法,其中通过调用tryRelease尝试释放锁,而tryRelease也需要使用者自己实现。在之前也说过,头节点释放锁时,需要唤醒它的下一个节点对应的线程,让这个线程不再等待,去获取锁,而这个过程就是通过unparkSuccessor方法实现的。


2|62.6 共享锁的获取与释放过程


  前面提到过,AQS不仅仅可以用来实现独占锁,还可以用来实现共享锁,下面我们就来看看AQS中,有关共享锁的模板方法的实现。首先是获取共享锁的实现,在AQS中,定义了acquireShared方法用来获取共享锁:

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

  可以看到,这个方法比较简短。首先调用tryAcquireShared方法尝试获取一次共享锁,即修改state的值,若返回值>=0,则表示获取成功,线程不受影响,继续向下执行;若返回值小于0,表示获取共享锁失败,则线程需要进入到同步队列中等待,调用doAcquireShared方法。acquireShared方法也是AQS的一个模板方法,而其中的tryAcquireShared方法就是需要使用者自己实现的方法。下面我们来看看doAcquireShared方法的实现:

/** * 不间断地获取共享锁,若线程对应的节点不是头节点的下一个节点,将进入等待状态 * 实现与acquireQueued非常类似 * @param arg the acquire argument */ private void doAcquireShared(int arg) { // 往同步队列的尾部添加一个默认节点,Node.SHARED是一个Node常量, // 它的值就是一个不带任何参数的Node对象,也就是new Node(); final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 失败标志,默认为true boolean failed = true; try { // 中断标志,用来判断线程在等待的过程中释放被中断 boolean interrupted = false; // 死循环不断尝试获取共享锁 for (;;) { // 获取默认节点的前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 判断当前节点的前一个节点是否为head节点 if (p == head) { // 尝试获取共享锁 int r = tryAcquireShared(arg); // 若r>0,表示获取成功 if (r >= 0) { // 当前线程获取锁成功后,调用setHeadAndPropagate方法将当前线程设置为head // 同时,若共享锁还能被其他线程获取,则在这个方法中也会向后传递,唤醒后面的线程 setHeadAndPropagate(node, r); // 将原来的head的next置为null p.next = null; // help GC // 判断当前线程是否中断,若被中断,则调用selfInterrupt方法响应中断 if (interrupted) selfInterrupt(); // 失败标志置为false failed = false; return; } } // 以下代码和获取独占锁的acquireQueued方法相同,即让当前线程进入等待状态 // 具体解析可以看上面acquireQueued方法的解析 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }

  doAcquireShared方法的实现和获取独占锁中的acquireQueued方法很类似,但是主要有一点不同,那就是线程在被唤醒后,若成功获取到了共享锁,还需要判断共享锁是否还能被其他线程获取,若可以,则继续向后唤醒它的下一个节点对应的线程。下面再看看释放共享锁的代码,释放共享锁时通过方法releaseShared

public final boolean releaseShared(int arg) { // 尝试修改state的值释放锁 if (tryReleaseShared(arg)) { // 若成功,则调用以下方法唤醒后继节点中的线程 doReleaseShared(); return true; } return false; }

  releaseShared也是一个模板方法,它通过调用使用者自己实现的tryReleaseShared方法尝试释放锁,修改state的值,若返回true,表示修改成功,则继续向下调用doReleaseShared唤醒head的下一个节点对应的线程,让它开始尝试获取锁;若修改state失败,则返回false


2|72.7 使用AQS实现一个锁


  介绍完上面的内容,下面我们就来基于AQS实现一个自己的同步器,或者说锁。我们需要实现的锁要求如下:

  实现一个锁,它是一个共享锁,但是每次至多支持两个线程同时获取锁,若当前已经有两个线程获取了锁,则其他获取锁的线程需要等待。

  实现代码如下:

/** * 抽象队列同步器(AQS)使用: * 实现一个同一时刻至多只支持两个线程同时执行的同步器 */ // 让当前类继承Lock接口 public class TwinLock implements Lock { // 定义锁允许的最大线程数 private final static int DEFAULT_SYNC_COUNT = 2; // 创建一个锁对象,用以进行线程同步,Sync继承自AQS private final Sync sync = new Sync(DEFAULT_SYNC_COUNT); // 以内部类的形式实现一个同步器类,也就是锁,这个锁继承自AQS private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 构造方法中指定锁支持的线程数量 Sync(int count) { // 若count小于0,则默认为2 if (count <= 0) { count = DEFAULT_SYNC_COUNT; } // 设置初始同步状态 setState(count); } /** * 重写tryAcquireShared方法,这个方法用来修改同步状态state,也就是获取锁 */ @Override protected int tryAcquireShared(int arg) { // 循环尝试 for (; ; ) { // 获取当前的同步状态 int nowState = getState(); // 计算当前线程获取锁后,新的同步状态 // 注意这里使用了减法,因为此时的state表示的是还能支持多少个线程 // 而当前线程如果获得了锁,则state就要减小 int newState = nowState - arg; // 如果newState小于0,表示当前已经没有剩余的资源了 // 则当前线程不能获取锁,此时将直接返回小于0的newState; // 或者newState>0,就会执行compareAndSetState方法修改state的值, // 若修改成功将,将返回大于0的newState; // 若修改失败,则表示有其他线程也在尝试修改state,此时循环一次后,再次尝试 if (newState < 0 || compareAndSetState(nowState, newState)) { return newState; } } } /** * 尝试释放同步状态 */ @Override protected boolean tryReleaseShared(int arg) { for (; ; ) { // 获取当前同步状态 int nowState = getState(); // 计算释放后的新同步状态,这里使用加法, // 表示有线程释放锁后,当前锁可以支持的线程数量增加了 int newState = nowState + arg; // 使用CAS修改同步状态,若成功则返回true,否则自旋 if (compareAndSetState(nowState, newState)) { return true; } } } } /** * 获取锁的方法 */ @Override public void lock() { // 这里调用的是AQS的模板方法acquireShared, // 在acquireShared中将调用我们重写的tryAcquireShared方法 // 传入参数为1表示当前线程,当前线程获取锁后,state将-1 sync.acquireShared(1); } /** * 解锁 */ @Override public void unlock() { // 这里调用的是AQS的模板方法releaseShared, // 在acquireShared中将调用我们重写的tryReleaseShared方法 // 传入参数为1表示当前线程,当前线程释放锁后,state将+1 sync.releaseShared(1); } /*******************其他需要实现的方法省略***************************/ }

  以上就实现了一个支持两个线程同时允许的共享锁,下面我们通过一个测试代码来测试效果:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 创建一个我们自定义的锁对象 Lock lock = new TwinLock(); // 启动10个线程去尝试获取锁 for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread t = new Thread(()->{ // 循环执行 while (true) { // 获取锁 lock.lock(); try { // 休眠1秒 Thread.sleep(1000); // 输出线程名称 System.out.println(Thread.currentThread().getName()); // 再次休眠一秒 Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { // 释放锁 lock.unlock(); } } }); // 将线程设置为守护线程,主线程结束后,收获线程自动结束 t.setDaemon(true); t.start(); } // 主线程每隔1秒输出一个分割行 for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread.sleep(1000); System.out.println("********************************"); } }

  以上测试代码运行后,在每两个分割行之间,最多不会输出超过两个线程的名称,线程名称的输出将会以两个一队出现。我的输出结果如下:

******************************** Thread-1 Thread-0 ******************************** ******************************** Thread-2 Thread-1 ******************************** ******************************** Thread-2 Thread-1 ******************************** ******************************** Thread-2 Thread-3 ******************************** ******************************** Thread-3 Thread-4 ********************************

2|82.8 AQS如何实现线程等待


  在研究AQS的过程中,我一直有这个疑惑——AQS如何让线程阻塞,直到最后才知道有一个叫LockSupport的工具类。这个工具类定义了很多静态方法,当需要让一个阻塞,或者唤醒一个线程时,就可以调用这个类中的方法,它的底层实现是通过一个sun.misc.Unsafe类的对象,unsafe类的方法都是本地方法,由其他语言实现,这个类是给不支持地址操作的Java,提供的一个操作内存地址的后门。

  AQS中通过以下两个方法来阻塞和唤醒线程:

  • LockSupport.park():阻塞当前线程;
  • LockSupport.unpark(Thread thread):将参数中传入的线程唤醒;

  前面讲解AQS的代码中,用到了方法unparkSuccessor,它的主要作用就是唤醒当前节点的下一个节点对应的线程,我们可以看看它的部分实现:

private void unparkSuccessor(Node node) { // ...........省略其他代码............ // 以下代码即为唤醒当前节点的下一个节点对应的线程 Node s = node.next; if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); // 使用LockSupport }

3|0三、总结


  其实AQS还支持一些其他的方法,比如说在获取锁时设置超时时间等,这些方法的实现与上面介绍的几种大同小异,限于篇幅,这里就不进行叙述了。以上内容对AQS的实现原理以及主要方法的实现做了一个比较细致的介绍,相信看完之后会对AQS有一个比较深入的理解,但是想要理解以上内容,需要具备并发的一些基础知识,比如说线程的状态,CAS机制等。最后希望这篇博客对需要的人有所帮助吧。


4|0四、参考



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