这是程序员 cxuan 的第三期分享java
谈到并发,咱们不得不说AQS(AbstractQueuedSynchronizer),所谓的AQS便是抽象的队列式的同步器,内部定义了不少锁相关的方法,咱们熟知的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore等都是基于AQS来实现的。node
咱们先看下AQS相关的UML图:程序员
思惟导图(高清无损 AV 画质长图.pdf 关注公众号回复 AQS 获取)安全
AQS中 维护了一个volatile int state(表明共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。数据结构
这里volatile可以保证多线程下的可见性,当state=1则表明当前对象锁已经被占有,其余线程来加锁时则会失败,加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中,比列会被UNSAFE.park()操做挂起,等待其余获取锁的线程释放锁才可以被唤醒。多线程
另外state的操做都是经过CAS来保证其并发修改的安全性。并发
具体原理咱们能够用一张图来简单归纳:ide
AQS 中提供了不少关于锁的实现方法,性能
这里还有一些方法并无列出来,接下来咱们以ReentrantLock做为突破点经过源码和画图的形式一步步了解AQS内部实现原理。学习
文章准备模拟多线程竞争锁、释放锁的场景来进行分析AQS源码:
三个线程(线程1、线程2、线程三)同时来加锁/释放锁
目录以下:
这里会经过画图来分析每一个线程加锁、释放锁后AQS内部的数据结构和实现原理
线程一加锁成功
若是同时有三个线程并发抢占锁,此时线程一抢占锁成功,线程二和线程三抢占锁失败,具体执行流程以下:
此时AQS内部数据为:
线程2、线程三加锁失败:
有图能够看出,等待队列中的节点Node是一个双向链表,这里SIGNAL是Node中waitStatus属性,Node中还有一个nextWaiter属性,这个并未在图中画出来,这个到后面Condition会具体讲解的。
具体看下抢占锁代码实现:
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .NonfairSync: static final class NonfairSync extends Sync { final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } }
这里使用的ReentrantLock非公平锁,线程进来直接利用CAS尝试抢占锁,若是抢占成功state值回被改成1,且设置对象独占锁线程为当前线程。以下所示:
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) { exclusiveOwnerThread = thread; }
线程二抢占锁失败
咱们按照真实场景来分析,线程一抢占锁成功后,state变为1,线程二经过CAS修改state变量必然会失败。此时AQS中FIFO(First In First Out 先进先出)队列中数据如图所示:
咱们将线程二执行的逻辑一步步拆解来看:
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire(): public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
先看看tryAcquire()的具体实现:java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .nonfairTryAcquire():
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) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
nonfairTryAcquire()方法中首先会获取state的值,若是不为0则说明当前对象的锁已经被其余线程所占有,接着判断占有锁的线程是否为当前线程,若是是则累加state值,这就是可重入锁的具体实现,累加state值,释放锁的时候也要依次递减state值。
若是state为0,则执行CAS操做,尝试更新state值为1,若是更新成功则表明当前线程加锁成功。
以线程二为例,由于线程一已经将state修改成1,因此线程二经过CAS修改state的值不会成功。加锁失败。
线程二执行tryAcquire()后会返回false,接着执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)逻辑,将本身加入到一个FIFO等待队列中,代码实现以下:
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter(): 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; }
这段代码首先会建立一个和当前线程绑定的Node节点,Node为双向链表。此时等待对内中的tail指针为空,直接调用enq(node)方法将当前线程加入等待队列尾部:
private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
第一遍循环时tail指针为空,进入if逻辑,使用CAS操做设置head指针,将head指向一个新建立的Node节点。此时AQS中数据:
执行完成以后,head、tail、t都指向第一个Node元素。
接着执行第二遍循环,进入else逻辑,此时已经有了head节点,这里要操做的就是将线程二对应的Node节点挂到head节点后面。此时队列中就有了两个Node节点:
addWaiter()方法执行完后,会返回当前线程建立的节点信息。继续日后执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)逻辑,此时传入的参数为线程二对应的Node节点信息:
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued(): 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) && parkAndChecknIterrupt()) 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 final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }
acquireQueued()这个方法会先判断当前传入的Node对应的前置节点是否为head,若是是则尝试加锁。加锁成功过则将当前节点设置为head节点,而后空置以前的head节点,方便后续被垃圾回收掉。
若是加锁失败或者Node的前置节点不是head节点,就会经过shouldParkAfterFailedAcquire方法 将head节点的waitStatus变为了SIGNAL=-1,最后执行parkAndChecknIterrupt方法,调用LockSupport.park()挂起当前线程。
此时AQS中的数据以下图:
此时线程二就静静的待在AQS的等待队列里面了,等着其余线程释放锁来唤醒它。
线程三抢占锁失败
看完了线程二抢占锁失败的分析,那么再来分析线程三抢占锁失败就很简单了,先看看addWaiter(Node mode)方法:
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; }
此时等待队列的tail节点指向线程二,进入if逻辑后,经过CAS指令将tail节点从新指向线程三。接着线程三调用enq()方法执行入队操做,和上面线程二执行方式是一致的,入队后会修改线程二对应的Node中的waitStatus=SIGNAL。最后线程三也会被挂起。此时等待队列的数据如图:
线程一释放锁
如今来分析下释放锁的过程,首先是线程一释放锁,释放锁后会唤醒head节点的后置节点,也就是咱们如今的线程二,具体操做流程以下:
执行完后等待队列数据以下:
此时线程二已经被唤醒,继续尝试获取锁,若是获取锁失败,则会继续被挂起。若是获取锁成功,则AQS中数据如图:
接着仍是一步步拆解来看,先看看线程一释放锁的代码:
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release()
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
这里首先会执行tryRelease()方法,这个方法具体实如今ReentrantLock中,若是tryRelease执行成功,则继续判断head节点的waitStatus是否为0,前面咱们已经看到过,head的waitStatue为SIGNAL(-1),这里就会执行unparkSuccessor()方法来唤醒head的后置节点,也就是咱们上面图中线程二对应的Node节点。
此时看ReentrantLock.tryRelease()中的具体实现:
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; }
执行完ReentrantLock.tryRelease()后,state被设置成0,Lock对象的独占锁被设置为null。此时看下AQS中的数据:
接着执行java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.unparkSuccessor()方法,唤醒head的后置节点:
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); }
这里主要是将head节点的waitStatus设置为0,而后解除head节点next的指向,使head节点空置,等待着被垃圾回收。
此时从新将head指针指向线程二对应的Node节点,且使用LockSupport.unpark方法来唤醒线程二。
被唤醒的线程二会接着尝试获取锁,用CAS指令修改state数据。执行完成后能够查看AQS中数据:
此时线程二被唤醒,线程二接着以前被park的地方继续执行,继续执行acquireQueued()方法。
线程二唤醒继续加锁
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); } }
此时线程二被唤醒,继续执行for循环,判断线程二的前置节点是否为head,若是是则继续使用tryAcquire()方法来尝试获取锁,其实就是使用CAS操做来修改state值,若是修改为功则表明获取锁成功。接着将线程二设置为head节点,而后空置以前的head节点数据,被空置的节点数据等着被垃圾回收。
此时线程三获取锁成功,AQS中队列数据以下:
等待队列中的数据都等待着被垃圾回收。
线程二释放锁/线程三加锁
当线程二释放锁时,会唤醒被挂起的线程三,流程和上面大体相同,被唤醒的线程三会再次尝试加锁,具体代码能够参考上面内容。具体流程图以下:
此时AQS中队列数据如图:
上面全部的加锁场景都是基于非公平锁来实现的,非公平锁是ReentrantLock的默认实现,那咱们接着来看一下公平锁的实现原理,这里先用一张图来解释公平锁和非公平锁的区别:
非公平锁执行流程:
这里咱们仍是用以前的线程模型来举例子,当线程二释放锁的时候,唤醒被挂起的线程三,线程三执行tryAcquire()方法使用CAS操做来尝试修改state值,若是此时又来了一个线程四也来执行加锁操做,一样会执行tryAcquire()方法。
这种状况就会出现竞争,线程四若是获取锁成功,线程三仍然须要待在等待队列中被挂起。这就是所谓的非公平锁,线程三辛辛苦苦排队等到本身获取锁,却眼巴巴的看到线程四插队获取到了锁。
公平锁执行流程:
公平锁在加锁的时候,会先判断AQS等待队列中是存在节点,若是存在节点则会直接入队等待,具体代码以下.
公平锁在获取锁是也是首先会执行acquire()方法,只不过公平锁单独实现了tryAcquire()方法:
#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire():
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
这里会执行ReentrantLock中公平锁的tryAcquire()方法
#java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync.tryAcquire():
static final class FairSync extends Sync { 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; } }
这里会先判断state值,若是不为0且获取锁的线程不是当前线程,直接返回false表明获取锁失败,被加入等待队列。若是是当前线程则可重入获取锁。
若是state=0则表明此时没有线程持有锁,执行hasQueuedPredecessors()判断AQS等待队列中是否有元素存在,若是存在其余等待线程,那么本身也会加入到等待队列尾部,作到真正的先来后到,有序加锁。具体代码以下:
#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.hasQueuedPredecessors():
public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; Node h = head; Node s; return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); }
这段代码颇有意思,返回false表明队列中没有节点或者仅有一个节点是当前线程建立的节点。返回true则表明队列中存在等待节点,当前线程须要入队等待。
先判断head是否等于tail,若是队列中只有一个Node节点,那么head会等于tail,接着判断head的后置节点,这里确定会是null,若是此Node节点对应的线程和当前的线程是同一个线程,那么则会返回false,表明没有等待节点或者等待节点就是当前线程建立的Node节点。此时当前线程会尝试获取锁。
若是head和tail不相等,说明队列中有等待线程建立的节点,此时直接返回true,若是只有一个节点,而此节点的线程和当前线程不一致,也会返回true
非公平锁和公平锁的区别:非公平锁性能高于公平锁性能。非公平锁能够减小CPU唤醒线程的开销,总体的吞吐效率会高点,CPU也没必要取唤醒全部线程,会减小唤起线程的数量
非公平锁性能虽然优于公平锁,可是会存在致使线程饥饿的状况。在最坏的状况下,可能存在某个线程一直获取不到锁。不过相比性能而言,饥饿问题能够暂时忽略,这可能就是ReentrantLock默认建立非公平锁的缘由之一了。
Condition 简介
上面已经介绍了AQS所提供的核心功能,固然它还有不少其余的特性,这里咱们来继续说下Condition这个组件。
Condition是在java 1.5中才出现的,它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协做,相比使用Object的wait()、notify(),使用Condition中的await()、signal()这种方式实现线程间协做更加安全和高效。所以一般来讲比较推荐使用Condition
其中AbstractQueueSynchronizer中实现了Condition中的方法,主要对外提供awaite(Object.wait())和signal(Object.notify())调用。
Condition Demo示例
使用示例代码:
/** * ReentrantLock 实现源码学习 * @author 一枝花算不算浪漫 * @date 2020/4/28 7:20 */ public class ReentrantLockDemo { static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public static void main(String[] args) { Condition condition = lock.newCondition(); new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println("线程一加锁成功"); System.out.println("线程一执行await被挂起"); condition.await(); System.out.println("线程一被唤醒成功"); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); System.out.println("线程一释放锁成功"); } }).start(); new Thread(() -> { lock.lock(); try { System.out.println("线程二加锁成功"); condition.signal(); System.out.println("线程二唤醒线程一"); } finally { lock.unlock(); System.out.println("线程二释放锁成功"); } }).start(); } }
执行结果以下图:
这里线程一先获取锁,而后使用await()方法挂起当前线程并释放锁,线程二获取锁后使用signal唤醒线程一。
Condition实现原理图解
咱们仍是用上面的demo做为实例,执行的流程以下:
线程一执行await()方法:
先看下具体的代码实现,#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.await():
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter(); int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }
await()方法中首先调用addConditionWaiter()将当前线程加入到Condition队列中。
执行完后咱们能够看下Condition队列中的数据:
具体实现代码为:
private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; }
这里会用当前线程建立一个Node节点,waitStatus为CONDITION。接着会释放该节点的锁,调用以前解析过的release()方法,释放锁后此时会唤醒被挂起的线程二,线程二会继续尝试获取锁。
接着调用isOnSyncQueue()方法判断当前节点是否为Condition队列中的头部节点,若是是则调用LockSupport.park(this)挂起Condition中当前线程。此时线程一被挂起,线程二获取锁成功。
具体流程以下图:
线程二执行signal()方法:
首先咱们考虑下线程二已经获取到锁,此时AQS等待队列中已经没有了数据。
接着就来看看线程二唤醒线程一的具体执行流程:
public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); }
先判断当前线程是否为获取锁的线程,若是不是则直接抛出异常。接着调用doSignal()方法来唤醒线程。
private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); } final boolean transferForSignal(Node node) { if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; } /** * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. * @param node the node to insert * @return node's predecessor */ 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; } } } }
这里先从transferForSignal()方法来看,经过上面的分析咱们知道Condition队列中只有线程一建立的一个Node节点,且waitStatue为CONDITION,先经过CAS修改当前节点waitStatus为0,而后执行enq()方法将当前线程加入到等待队列中,并返回当前线程的前置节点。
加入等待队列的代码在上面也已经分析过,此时等待队列中数据以下图:
接着开始经过CAS修改当前节点的前置节点waitStatus为SIGNAL,而且唤醒当前线程。此时AQS中等待队列数据为:
线程一被唤醒后,继续执行await()方法中的 while 循环。
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter(); int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }
由于此时线程一的waitStatus已经被修改成0,因此执行isOnSyncQueue()方法会返回false。跳出while循环。
接着执行acquireQueued()方法,这里以前也有讲过,尝试从新获取锁,若是获取锁失败继续会被挂起。直到另外线程释放锁才被唤醒。
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); } }
此时线程一的流程都已经分析完了,等线程二释放锁后,线程一会继续重试获取锁,流程到此终结。
Condition总结
咱们总结下 Condition 和 wait/notify 的比较:
Condition 能够精准的对多个不一样条件进行控制,wait/notify 只能和 synchronized 关键字一块儿使用,而且只能唤醒一个或者所有的等待队列;
这里用了一步一图的方式结合三个线程依次加锁/释放锁来展现了ReentrantLock的实现方式和实现原理,而ReentrantLock底层就是基于AQS实现的,因此咱们也对AQS有了深入的理解。
另外还介绍了公平锁与非公平锁的实现原理,Condition的实现原理,基本上都是使用源码+绘图的讲解方式,尽可能让你们更容易去理解。
end