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Java AQS的實現(xiàn)原理詳解

 更新時間:2023年04月06日 14:49:48   作者:多利的貓糧  
這篇文章主要借助了ReentrantLock來帶大家搞清楚AQS的實現(xiàn)原理,文中的示例代碼講解詳細,具有一定的學習價值,感興趣的小伙伴可以了解一下

使用

我們這里借助ReentrantLock來搞清楚AQS的實現(xiàn)原理。

lock

這個方法就是開始獲取鎖運行的入口,在這個方法的實現(xiàn)中,交給了sync對象來獲取鎖。

public void lock() {
    sync.acquire(1);
}

private final Sync sync;
// Sync對象是一個ReentrantLock實現(xiàn)的內(nèi)部抽象類,具體的實現(xiàn)又分為了公平版本與非公平兩種
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

// 在ReentrantLock的無參構(gòu)造器中,默認使用的實現(xiàn)就是非公平鎖的實現(xiàn)
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

// 也可以通過帶參數(shù)的構(gòu)造器來使用公平鎖
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

Sync

由于公平鎖FairSyncNonfairSync的差別主要在tryAcquire方法上,別的邏輯都是相同的,因此我們就直接看Sync和AQS中的實現(xiàn)。

acquire

方法實現(xiàn)如下,來自AQS的實現(xiàn):

// 首先會調(diào)用 tryAcquire 和 acquireQueued 方法,如果2個方法都返回true的話,
// 那么才會調(diào)用自行中斷的邏輯
if (!tryAcquire(arg) &&
    acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    selfInterrupt();

tryAcquire方法就會因為公平鎖和非公平鎖的差異,有2種不同的實現(xiàn),首先來看看非公平鎖的實現(xiàn),也就是ReentrantLock的默認策略。

NonfairSync.tryAcquire

這個方法會直接調(diào)用并返回 Sync 實現(xiàn)的 nonfairTryAcquire(acquires)方法。

Sync類中的實現(xiàn)

// 這里的參數(shù) acquires = 1
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 獲取當前調(diào)用者的線程對象
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 獲取AQS中定義的state值,這個state值是AQS的核心之一
    int c = getState();
    // 在ReentrantLock的實現(xiàn)中,state就表示當前是否有線程持有鎖,0代表沒有線程持有鎖,
    // 當前訪問的線程就可以繼續(xù)執(zhí)行代碼,如果大于0則表示當前持有鎖的線程的數(shù)量。
    // 由于ReentrantLock屬于可重入鎖,因此,這個值會>=1
    if (c == 0) {
        // 能進來就表示當前沒有線程持有鎖,那么嘗試用CAS獲取鎖
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 獲取鎖成功,那么將當前線程設置到AQS中的當前線程中
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果當前持有鎖的就是自己,那么就代表是鎖的重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 累計持有鎖的次數(shù)
        int nextc = c + acquires;
        // 這里就說明了,state能夠設置的最大值就是Int.MAX_VALUE,
        // 當處于MAX_VALUE的時候再加1,那么Int數(shù)字的最高位就會變成1,符號位為負
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 更新新的state值
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

AQS中的實現(xiàn)

private volatile int state;
// 當前持有鎖的線程對象
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
    exclusiveOwnerThread = thread;
}

小結(jié)一下,非公平鎖tryAcquire方法就是先看看有沒有線程持有鎖,沒有的話自己就通過CAS的方式嘗試獲取一下鎖,如果獲取鎖成功或者是自己重入,那么tryAcquire方法就會返回true,acquire方法中的條件判斷就會直接返回false,lock方法結(jié)束,線程繼續(xù)支持下面的代碼。

FairSync.tryAcquire

下面來看看公平鎖的實現(xiàn),大體的邏輯跟非公平的是相同的。

FairSync中的實現(xiàn)

// 這里的參數(shù) acquire = 1
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // 判斷當前是不是有線程持有鎖
    if (c == 0) {
        // 當前沒有線程持有鎖就進來
        // 由于是公平鎖,那么就要保證只有在當前等待隊列為空或者隊列中等待的線程
        // 都沒有到運行的條件的時候,才嘗試通過CAS來獲取鎖。否則就去乖乖排隊
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 同非公平鎖,鎖重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

AQS中的實現(xiàn)

// 檢查當前AQS等待隊列中是否有正在等待的有效線程節(jié)點
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node h, s;
    // 首先讓參數(shù)h指向當前隊列的頭部
    if ((h = head) != null) {
        // 隊列不為空
        // 將臨時變量賦值為當前第二個節(jié)點
        // 這里需要簡單說明一下AQS的等待隊列的構(gòu)成,第一個節(jié)點是沒有業(yè)務含義的,
        // 只是用作喚醒下一個待執(zhí)行的線程節(jié)點
        if ((s = h.next) == null || s.waitStatus > 0) {
            // 能進來就表示當前隊列只有一個頭結(jié)點,或者第二個節(jié)點的狀態(tài)是已取消
            // - > 參考說明1
            // 如果第二個節(jié)點不為空,那么就釋放這個引用
            s = null; // traverse in case of concurrent cancellation
            // 從后往前遍歷,找到距離隊列頭最近的有效節(jié)點
            for (Node p = tail; p != h && p != null; p = p.prev) {
                if (p.waitStatus <= 0)
                    s = p;
            }
        }
        // 如果找到了正在隊列中的排隊的有效節(jié)點并且不是當前訪問的線程,那么就返回true
        if (s != null && s.thread != Thread.currentThread())
            return true;
    }
    // 頭結(jié)點指向NULL,那么說明隊列是空的,直接返回false
    return false;
}

說明1:這里就引入了隊列節(jié)點中的等待狀態(tài)這個重要的概念,在ReentrantLock中,我們只需要關(guān)注CANCELLEDSIGNAL即可。只有CANCELLED是大于0的,新節(jié)點的默認值為0。因此只要等待狀態(tài)大于0就代表該節(jié)點被取消了。

// 等待隊列中節(jié)點的等待狀態(tài)
volatile int waitStatus;
// 當前節(jié)點因為等待超時或者被中斷了被取消
static final int CANCELLED =  1;
// 接下來有資格被喚醒獲得鎖的標記,只有獲得了這個標記的節(jié)點才能被執(zhí)行完的線程喚醒
static final int SIGNAL    = -1;

小結(jié)一下,公平鎖對比非公平鎖,在最開始有機會獲取鎖的時候,會先檢查一下當前隊列中是否已經(jīng)有線程在排隊等待執(zhí)行了,如果等待隊列中是空的或者沒有有效的排隊節(jié)點,才會獲取鎖。如果獲取鎖成功,或者鎖重入成功,那么同樣會結(jié)束AQS的邏輯,繼續(xù)執(zhí)行業(yè)務代碼。

acquireQueued

上面分析完在tryAcquire方法中如果成功獲得鎖的情況,就會結(jié)束AQS的邏輯,接下來就來分析未能成功獲得鎖的邏輯,即:acquire方法中條件判斷的第二個條件判斷。

在AQS中實現(xiàn)

// 這個方法就會將當前線程添加到等待隊列中,并且返回操作是否成功,arg就是傳入的acquire值,為1
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

首先通過addWaiter方法構(gòu)建一個包含線程對象的節(jié)點并且添加到隊列中

// 這里的參數(shù)為 Node.EXCLUSIVE,表示這是一個排它鎖的實現(xiàn),這里的值為NULL
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 構(gòu)建一個線程節(jié)點
    Node node = new Node(mode);

    // 這里就是AQS的核心理念了,通過不斷的自旋,將線程節(jié)點插入到隊列中
    for (;;) {
        // 獲取原來的隊列的隊尾,因為AQS才去的尾插方式
        Node oldTail = tail;
        if (oldTail != null) {
            // 將新插入的節(jié)點指向原來的尾結(jié)點
            node.setPrevRelaxed(oldTail);
            // 通過CAS的方式將當前節(jié)點設置到線程共享隊列的尾部去,這里要注意,
            // 凡是涉及到多線程操作的屬性,都需要通過CAS保證操作的原子性
            if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
                oldTail.next = node;
                // 設置成功,就返回插入的節(jié)點對象;如若不成功,
                // 就表示有別的線程也修改了尾結(jié)點,那么就要等下一次循環(huán)重試
                return node;
            }
        } else {
            // 沒有尾結(jié)點說明隊列不存在,那么就進行初始化
            initializeSyncQueue();
        }
    }
}

// 初始化等待隊列
private final void initializeSyncQueue() {
    Node h;
    // 還是通過CAS的方式,給隊列初始化一個默認的Node節(jié)點,幾個重要的屬性的初始值如下
    // waitStatus = 0; thread = null
    if (HEAD.compareAndSet(this, null, (h = new Node())))
        tail = h;
}

小結(jié)一下,addWaiter方法通過尾插的方式將沒有搶到鎖的線程封裝為Node節(jié)點,插入到AQS的等待隊列中。如果隊列還未初始化,那么就先初始化隊列,隊列自帶一個無實際含義的頭結(jié)點。

acquireQueued

在AQS中實現(xiàn)

// arg就是傳入的acquire參數(shù),為1;該方法返回值的含義為,線程在等待過程中是否被中斷
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean interrupted = false;
    try {
        // 還是不斷的自旋,等待機會進行操作
        for (;;) {
            // 獲取新插入節(jié)點的上一個節(jié)點
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果上一個節(jié)點已經(jīng)是頭結(jié)點,那么說明當前就已經(jīng)輪到當前線程獲取鎖執(zhí)行業(yè)務了
            // 那么就再次嘗試搶一次鎖
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 能進來就說明獲取鎖成功了
                // 那么就將當前線程的節(jié)點設置為頭結(jié)點
                // 在這個方法中,會去除節(jié)點中的信息,做一個純粹的頭結(jié)點
                setHead(node);
                // 將已經(jīng)沒有指向的原頭結(jié)點的next指為空,等待回收
                p.next = null; // help GC
                // 這里返回的值為false,因為當前線程并未被阻塞就獲得了鎖
                return interrupted;
            }
            // 走到這里說明當前線程并沒有獲取到鎖,那么就要考慮是否要將線程阻塞了
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))
                interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
        }
    } catch (Throwable t) {
        cancelAcquire(node);
        if (interrupted)
            selfInterrupt();
        throw t;
    }
}

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

// 線程獲取鎖失敗之后,是否需要將線程阻塞,這里2個參數(shù),
// pred是新插入節(jié)點的上一個節(jié)點,node是新插入的節(jié)點
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 獲取上一個節(jié)點的等待狀態(tài)
    int ws = pred.waitStatus;
    // 判斷上一個節(jié)點的狀態(tài)是不是SIGNAL,只有狀態(tài)為SIGNAL的才是有效的可指向節(jié)點
    if (ws == Node.SIGNAL)
        // 如果上一個節(jié)點是SIGNAL狀態(tài),那就說明當前線程可以連接上該節(jié)點,然后被掛起了
        return true;
    // 上面我們提到過,只有節(jié)點被取消了,等待狀態(tài)才會>0
    if (ws > 0) {
        // 一直往前找,直到找到等待狀態(tài)<=0的,數(shù)據(jù)規(guī)范的話即找到最近的一個等待狀態(tài)
        // 為SIGNAL的節(jié)點,跳過全部被取消的節(jié)點
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        // 此時pred指向的即第一個合法的線程節(jié)點,指向當前新插入的節(jié)點
        pred.next = node;
    } else {
        // 這里的意思就是上一個節(jié)點就是有效節(jié)點,那么就將上一個節(jié)點的等待狀態(tài)強制
        // 更新為SIGNAL,即-1。毫無意義的那個頭結(jié)點也會被設置為SIGNAL狀態(tài)
        pred.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

小結(jié)一下,這個方法的含義就是,由于當前線程沒有獲取到鎖資源,因此就需要被阻塞。同時在這個方法中,也會整理等待隊列,將那些已經(jīng)被取消的節(jié)點從隊列中移除。接著就是調(diào)用條件判斷中的執(zhí)行方法,將線程掛起阻塞起來。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 調(diào)用了park方法,底層是調(diào)用UnSafe類的park方法來實現(xiàn)
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

至此,lock方法的全部情況都清楚了,如果線程能拿到鎖,那就直接結(jié)束lock階段,要是搶不到鎖,那么就進入等待隊列中,在進入隊列之前,如果發(fā)現(xiàn)還有機會獲取鎖,那么會再次嘗試獲取一次,如若還是獲取不到,那么就以尾插的方式進入等待隊列,通過調(diào)用LockSupport.park方法,將線程阻塞,等待被喚醒。

unlock

主動調(diào)用這個方法以后,就代表對于鎖的占用結(jié)束。

在ReentrantLock中實現(xiàn)

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

在AQS中實現(xiàn)

public final boolean release(int arg) {
    // 調(diào)用tryRelease方法真正實現(xiàn)解除鎖
    // 只有state加的所有鎖被解除了,那么才會喚醒下一個線程
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

在Sync中實現(xiàn)

// 這里的releases就是傳入的參數(shù)1,即如果是重入鎖,那么這里需要解鎖多次
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 計算state的值,這里的含義就是state-1
    int c = getState() - releases;
    // 如果當前線程不是持有鎖的線程,那么就報錯
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 鎖是否完全釋放完的標記
    boolean free = false;
    // state減到0說明鎖已經(jīng)完全釋放完了
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 更新state的值
    setState(c);
    // 只有鎖被完全釋放完,才返回true
    return free;
}

在AQS中實現(xiàn)

// 喚醒下一個需要鎖的線程,這里的node是頭結(jié)點
private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 獲得頭結(jié)點的等待狀態(tài)
    int ws = node.waitStatus;
    // 如果頭結(jié)點是SIGNAL,那么重置為0,因為這個節(jié)點已經(jīng)沒有意義了,會被移除
    if (ws < 0)
        node.compareAndSetWaitStatus(ws, 0);
    // 獲得頭結(jié)點后面的待喚醒的節(jié)點
    Node s = node.next;
    // 如果這個待喚醒的節(jié)點為空或者等待狀態(tài)不正確,在這里就是不等于SIGNAL
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 從尾部開始查詢,找到合法的待喚醒節(jié)點
        for (Node p = tail; p != node && p != null; p = p.prev)
            if (p.waitStatus <= 0)
                s = p;
    }
    if (s != null)
        // 喚醒線程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

cancelAcquire

這個方法提供了取消線程等待獲取鎖的功能

在AQS中被實現(xiàn)

private void cancelAcquire(Node node) {
    // 健壯性判斷,節(jié)點非空才可以被取消
    if (node == null)
        return;

    // 將節(jié)點中的線程指向去掉
    node.thread = null;

    // 獲取到當前節(jié)點的上一個節(jié)點
    Node pred = node.prev;
    // 通過循環(huán),跳過所有當前被取消節(jié)點之前的也已經(jīng)被標記取消的節(jié)點
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // 通過上面的循環(huán)以后pred的值就為等待隊列中隊尾的一個合法的未被取消的節(jié)點
    // 獲取到該合法節(jié)點下一個指向的節(jié)點
    Node predNext = pred.next;

    // 標記當前被取消的節(jié)點的等待狀態(tài)為被取消
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // 如果被取消的節(jié)點就是隊尾的節(jié)點,那么就通過CAS將pred設置為尾結(jié)點
    // 就可以拋棄中間那些同樣被標記為被取消的節(jié)點,如果有的是
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        // 將pred的下一個節(jié)點指向NULL,因為pred現(xiàn)在就是隊尾
        pred.compareAndSetNext(predNext, null);
    } else {
        // 這說明取消的節(jié)點不是尾結(jié)點,而是中間的節(jié)點
        // 這個值會在下面的條件判斷被賦值為上一個節(jié)點的等待狀態(tài)
        int ws;
        // 如果找到的上一個合法節(jié)點不是頭結(jié)點
        // 并且上一個節(jié)點的等待狀態(tài)是SIGNAL,并且將不是SIGNAL狀態(tài)的負數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為SIGNAL
        // 并且線程不為空
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && pred.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            // 能進來就說明被取消的節(jié)點處于中間,那么就要將這個node從隊列中跳過
            Node next = node.next;
            // 如果被取消的節(jié)點是一個有效的節(jié)點,不為空并且狀態(tài)也是對的
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                // 那么就將上一個節(jié)點指向被取消節(jié)點的下一個節(jié)點
                pred.compareAndSetNext(predNext, next);
        } else {
            // 能進入這里說明上一個合法節(jié)點已經(jīng)是頭結(jié)點了,
            // 那么就說明被取消的這個節(jié)點已經(jīng)是原本除了頭結(jié)點以外的最靠前面的節(jié)點,
            // 那么被取消的這個節(jié)點其實就等價于頭結(jié)點了,應該喚醒后面還在等待的線程節(jié)點
            // 喚醒下一個被掛起的線程,具體已經(jīng)分析過了,這里就省略了
            unparkSuccessor(node);
        }

        node.next = node;
    }
}

以上就是Java AQS的實現(xiàn)原理詳解的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于Java AQS的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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