Java并发指南7：JUC的核心类AQS详解

时间  2020-01-09
标签 java 并发 指南 juc 核心 aqs 详解 栏目 Java 繁體版
原文   原文链接

一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizerjava

转自https://www.javadoop.com/post...node

在分析 Java 并发包 java.util.concurrent 源码的时候，少不了须要了解 AbstractQueuedSynchronizer（如下简写AQS）这个抽象类，由于它是 Java 并发包的基础工具类，是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。程序员

Google 一下 AbstractQueuedSynchronizer，咱们能够找到不少关于 AQS 的介绍，可是不少都没有介绍清楚，由于大部分文章没有把其中的一些关键的细节说清楚。web

本文将从 ReentrantLock 的公平锁源码出发，分析下 AbstractQueuedSynchronizer 这个类是怎么工做的，但愿能给你们提供一些简单的帮助。面试

申明如下几点：spring

  1. 本文有点长，可是很简单很简单很简单，主要面向读者对象为并发编程的初学者，或者想要阅读java并发包源码的开发者。
  2. 建议在电脑上阅读，若是你想好好地理解全部的细节，并且你历来没看过相关的分析，你可能至少须要 20 分钟仔细看全部的描述，本文后面的 1/3 以上很简单，前面的 1/4 更简单，中间的部分要好好看。
  3. 若是你不知道为何要看这个，我想告诉你，即便你看懂了全部的细节，你可能也不能把你的业务代码写得更好
  4. 源码环境 JDK1.7，看到不懂或有疑惑的部分，最好能本身打开源码看看。Doug Lea 大神的代码写得真心不错。
  5. 有不少英文注释我没有删除，这样读者能够参考着英文说的来，万一被我忽悠了呢
  6. 本文不分析共享模式，这样能够给读者减小不少负担，只要把独占模式看懂，共享模式读者应该就能够顺着代码看懂了。并且也不分析 condition 部分，因此应该说很容易就能够看懂了。
  7. 本文大量使用咱们平时用得最多的 ReentrantLock 的概念，本质上来讲是不正确的，读者应该清楚，AQS 不只仅用来实现锁，只是但愿读者能够用锁来联想 AQS 的使用场景，下降读者的阅读压力
  8. ReentrantLock 的公平锁和非公平锁只有一点点区别，没有任何阅读压力
  9. 你须要提早知道什么是 CAS(CompareAndSet)

废话结束，开始。数据库

CLH队列

此篇博客全部源码均来自JDK 1.8

AQS内部维护着一个FIFO队列，该队列就是CLH同步队列。编程

CLH同步队列是一个FIFO双向队列，AQS依赖它来完成同步状态的管理，当前线程若是获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构形成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。安全

在CLH同步队列中，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用（thread）、状态（waitStatus）、前驱节点（prev）、后继节点（next），其定义以下：微信

static final class Node {
    /** 共享 */
    static final Node SHARED = new Node();

    /** 独占 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 由于超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会参与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其余状态；
     */
    static final int CANCELLED =  1;

    /**
     * 后继节点的线程处于等待状态，而当前节点的线程若是释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行
     */
    static final int SIGNAL    = -1;

    /**
     * 节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其余线程对Condition调用了signal()后，改节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
     */
    static final int CONDITION = -2;

    /**
     * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    /** 等待状态 */
    volatile int waitStatus;

    /** 前驱节点 */
    volatile Node prev;

    /** 后继节点 */
    volatile Node next;

    /** 获取同步状态的线程 */
    volatile Thread thread;

    Node nextWaiter;

    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }

    Node() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) {
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

CLH同步队列结构图以下：

转存失败从新上传取消201701240001​

入列

学了数据结构的咱们，CLH队列入列是再简单不过了，无非就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点，当前最后一个节点的next指向当前节点。代码咱们能够看看addWaiter(Node node)方法：

private Node addWaiter(Node mode) {
        //新建Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //快速尝试添加尾节点
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //CAS设置尾节点
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //屡次尝试
        enq(node);
        return node;
    }

addWaiter(Node node)先经过快速尝试设置尾节点，若是失败，则调用enq(Node node)方法设置尾节点

private Node enq(final Node node) {
        //屡次尝试，直到成功为止
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //tail不存在，设置为首节点
            if (t == null) {
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                //设置为尾节点
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

在上面代码中，两个方法都是经过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点，该方法能够确保节点是线程安全添加的。在enq(Node node)方法中，AQS经过“死循环”的方式来保证节点能够正确添加，只有成功添加后，当前线程才会从该方法返回，不然会一直执行下去。

过程图以下：

转存失败从新上传取消1485225206860201701240002​

出列

CLH同步队列遵循FIFO，首节点的线程释放同步状态后，将会唤醒它的后继节点（next），然后继节点将会在获取同步状态成功时将本身设置为首节点，这个过程很是简单，head执行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev便可，注意在这个过程是不须要使用CAS来保证的，由于只有一个线程可以成功获取到同步状态。过程图以下：

转存失败从新上传取消201701240003​

AQS 结构

先来看看 AQS 有哪些属性，搞清楚这些基本就知道 AQS 是什么套路了，毕竟能够猜嘛！

// 头结点，你直接把它当作 当前持有锁的线程 多是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点，每一个新的节点进来，都插入到最后，也就造成了一个隐视的链表
private transient volatile Node tail;
// 这个是最重要的，不过也是最简单的，表明当前锁的状态，0表明没有被占用，大于0表明有线程持有当前锁
// 之因此说大于0，而不是等于1，是由于锁能够重入嘛，每次重入都加上1
private volatile int state;
// 表明当前持有独占锁的线程，举个最重要的使用例子，由于锁能够重入
// reentrantLock.lock()能够嵌套调用屡次，因此每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer

怎么样，看样子应该是很简单的吧，毕竟也就四个属性啊。

AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意以下所示，注意了，以后分析过程当中所说的 queue，也就是阻塞队列不包含 head，不包含 head，不包含 head。

转存失败从新上传取消aqs-0​

等待队列中每一个线程被包装成一个 node，数据结构是链表，一块儿看看源码吧：

static final class Node {
    /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
    // 标识节点当前在共享模式下
    static final Node SHARED = new Node();
    /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
    // 标识节点当前在独占模式下
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    // ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
    /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
    // 代码此线程取消了争抢这个锁
    static final int CANCELLED =  1;
    /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
    // 官方的描述是，其表示当前node的后继节点对应的线程须要被唤醒
    static final int SIGNAL    = -1;
    /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
    // 本文不分析condition，因此略过吧，下一篇文章会介绍这个
    static final int CONDITION = -2;
    /**
     * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
     * unconditionally propagate
     */
    // 一样的不分析，略过吧
    static final int PROPAGATE = -3;
    // =====================================================

    // 取值为上面的一、-一、-二、-3，或者0(之后会讲到)
    // 这么理解，暂时只须要知道若是这个值 大于0 表明此线程取消了等待，
    // 也许就是说半天抢不到锁，不抢了，ReentrantLock是能够指定timeouot的。。。
    volatile int waitStatus;
    // 前驱节点的引用
    volatile Node prev;
    // 后继节点的引用
    volatile Node next;
    // 这个就是线程本尊
    volatile Thread thread;

}

Node 的数据结构其实也挺简单的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性而已，你们先要有这个概念在内心。

上面的是基础知识，后面会屡次用到，内心要时刻记着它们，内心想着这个结构图就能够了。下面，咱们开始说 ReentrantLock 的公平锁。多嘴一下，我说的阻塞队列不包含 head 节点。

转存失败从新上传取消aqs-0​

首先，咱们先看下 ReentrantLock 的使用方式。

// 我用个web开发中的service概念吧
public class OrderService {
    // 使用static，这样每一个线程拿到的是同一把锁，固然，spring mvc中service默认就是单例，别纠结这个
    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);

    public void createOrder() {
        // 好比咱们同一时间，只容许一个线程建立订单
        reentrantLock.lock();
        // 一般，lock 以后紧跟着 try 语句
        try {
            // 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程)，
            // 其余的线程在lock()方法上阻塞，等待获取到锁，再进来
            // 执行代码...
            // 执行代码...
            // 执行代码...
        } finally {
            // 释放锁
            reentrantLock.unlock();
        }
    }
}

ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁，因此真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

}

Sync 有两个实现，分别为 NonfairSync（非公平锁）和 FairSync（公平锁），咱们看 FairSync 部分。

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

线程抢锁

不少人确定开始嫌弃上面废话太多了，下面跟着代码走，我就不废话了。

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
      // 争锁
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
      // 来自父类AQS，我直接贴过来这边，下面分析的时候一样会这样作，不会给读者带来阅读压力
    // 咱们看到，这个方法，若是tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
    // 不然，acquireQueued方法会将线程压到队列中
    public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
        // 首先调用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，这个只是试一试
        // 由于有可能直接就成功了呢，也就不须要进队列排队了，
        // 对于公平锁的语义就是：原本就没人持有锁，根本不必进队列等待(又是挂起，又是等待被唤醒的)
        if (!tryAcquire(arg) &&
            // tryAcquire(arg)没有成功，这个时候须要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
              selfInterrupt();
        }
    }

    /**
     * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
     * recursive call or no waiters or is first.
     */
    // 尝试直接获取锁，返回值是boolean，表明是否获取到锁
    // 返回true：1.没有线程在等待锁；2.重入锁，线程原本就持有锁，也就能够理所固然能够直接获取
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // state == 0 此时此刻没有线程持有锁
        if (c == 0) {
            // 虽然此时此刻锁是能够用的，可是这是公平锁，既然是公平，就得讲究先来后到，
            // 看看有没有别人在队列中等了半天了
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                // 若是没有线程在等待，那就用CAS尝试一下，成功了就获取到锁了，
                // 不成功的话，只能说明一个问题，就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 =_=
                // 由于刚刚还没人的，我判断过了

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一位阿里 Java 工程师的技术小站。做者黄小斜，专一 Java 相关技术：SSM、SpringBoot、MySQL、分布式、中间件、集群、Linux、网络、多线程，偶尔讲点Docker、ELK，同时也分享技术干货和学习经验，致力于Java全栈开发！（关注公众号后回复”Java“便可领取 Java基础、进阶、项目和架构师等免费学习资料，更有数据库、分布式、微服务等热门技术学习视频，内容丰富，兼顾原理和实践，另外也将赠送做者原创的Java学习指南、Java程序员面试指南等干货资源）

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