Java并发编程之AQS
简介
AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS。AQS定义了一个抽象的队列来进行同步操做，不少同步类都依赖于它，例如经常使用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch等node
每一个node维护了一份volatile int state（表明共享状态）和一个FIFO线程队列（多线程争用资源阻塞时进入该队列），AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。安全
不一样的自定义同步器争用共享资源的方式也不一样。自定义同步器在实现时只须要实现共享资源state的获取与释放方式便可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现如下几种方法：微信
//尝试获取独占模式
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//尝试释放独占模式
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享式获取同步状态
//返回负数表示失败;0表示成功，但没有剩余可用资源;正数表示成功，且有剩余资源。
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享式释放同步状态;若是释放后容许唤醒后续等待结点返回true，不然返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//当前同步器是否在独占模式下被线程占用，通常该方法表示是否被当前线程所独占;只有用到condition才须要去实现它。
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
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。多线程
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：app
static final class Node {
//共享模式
static final Node SHARED = new Node();
//独占模式
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;
//当前节点的线程
volatile Thread thread;
}
独占模式
acquire方法
该方法以独模式获取共享资源。若是获取到资源，线程直接返回，不然进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。ReentrantLock的lock方法就是调用的该方法来获取锁。oop
方法的执行流程以下：ui
- 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，若是成功则直接返回。
- 没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式。
- acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到本身，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。若是在整个等待过程当中被中断过，则返回true，不然返回false。
若是线程在等待过程当中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()。this
/**
* 独占模式获取同步状态，若是当前线程获取同步状态成功，则直接返回，不然
* 将会进入同步队列等待，该方法会调用实现类重写的tryAcquire(int arg)方法
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire方法
doc翻译：尝试以独占模式获取。 若是对象的状态容许以独占模式获取它，则此方法应查询，若是是，则获取它。spa
执行acquire的线程始终调用此方法。 若是此方法报告失败，则获取方法能够对线程进行排队（若是它还没有排队），直到它经过某个其余线程的释放来发出信号。 这可用于实现方法{@link Lock＃tryLock（）}。线程
自我理解：这个方法是须要实现类进行重写的，用于对资源的获取和释放。至于能不能重入，能不能加锁，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了。固然，自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。
addWaiter方法
doc翻译：为当前线程和给定模式建立并排队节点。
自我理解：CLH队列入列无非就是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
/**
* 将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 首先尝试在链表的后面快速添加节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 将该节点添加到队列尾部
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 若是首节点为空或者cas添加失败，则进入enq方法经过自旋方式入队列，确保必定成功，这是一个保底机制
enq(node);
return node;
}
enq方法
doc翻译：将节点插入队列，必要时进行初始化
自我理解：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。在enq(Node node)方法中，AQS经过自旋锁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
/**
* 将node加入队尾
*/
private Node enq(final Node node) {
// 自旋
for (;;) {
Node t = tail;
// 当前没有节点，构造一个new Node()，将head和tail指向它
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 当前有节点，将传入的Node放在链表的最后
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
acquireQueued方法
doc翻译：对于已经在队列中的线程，以独占不间断模式获取。 由条件等待方法使用以及获取。
自我理解：经过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。下一步须要处理的是：进入等待状态休息，直到其余线程完全释放资源后唤醒本身，本身再拿到资源，而后就能够去干本身想干的事了。其实就是个排队拿号，在等待队列中排队拿号，直到拿到号后再返回
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false; // 标记等待过程当中是否被中断过
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); // node的前一个节点
// 若是前一个节点是head，说明当前node节点是第二个节点，接着尝试去获取资源
// 多是head释放完资源唤醒本身的，固然也可能被interrupt了
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; // 返回等待过程当中是否被中断过
}
// 若是本身能够休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true; // 若是等待过程当中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
shouldParkAfterFailedAcquire方法
doc翻译：检查并更新没法获取的节点的状态。 若是线程应该阻塞，则返回true。 这是全部获取循环中的主要信号控制。 须要pred == node.prev。
自我理解：
此方法主要用于检查状态，看看本身是否真的能够去休息了
- 1.若是pred的waitStatus是SIGNAL，直接返回true
- 2.若是pred的waitStatus>0，也就是CANCELLED，向前一直找到<=0的节点，让节点的next指向node
- 3.若是pred的waitStatus<=0，改为SIGNAL
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 若是已经告诉前驱拿完号后通知本身一下，那就能够一边玩蛋去了
return true;
if (ws > 0) {
/*
* 若是前节点放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。
* 注意：那些放弃的结点，因为被本身“加塞”到它们前边，它们至关于造成一个无引用链，稍后就会被GC回收
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 若是前节点正常，那就把前节点的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知下。
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt方法
/**
* 让线程去休息，真正进入等待状态
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 调用park()使线程进入waiting状态
return Thread.interrupted(); // 若是被唤醒，查看是否被中断(该方法会重置标识位)
}
acquireQueued总共作了3件事：
- 结点进入队尾后，检查状态。
- 调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒本身。
- 被唤醒后，看本身是否是有资格能拿到号。若是拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程当中是否被中断过；若是没拿到，继续流程1。
上一张流程图看看吧
release方法
此方法是独占模式下线程释放资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，若是完全释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其余线程来获取资源
/**
* 释放资源
*/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h); // 唤醒等待队列里的下一个线程
return true;
}
return false;
}
tryRelease方法
跟tryAcquire()同样，这个方法是须要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来讲，tryRelease()都会成功的，由于这是独占模式，该线程来释放资源，那么它确定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源便可(state-=arg)，也不须要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！因此自义定同步器在实现时，若是已经完全释放资源(state=0)，要返回true，不然返回false。
unparkSuccessor方法
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 这里，node通常为当前线程所在的结点。
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0) // 置零当前线程所在的结点状态，容许失败。
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 找到下一个须要唤醒的结点s
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); // 唤醒
}
总结一下
在AQS中维护着一个FIFO的同步队列，当线程获取同步状态失败后，则会加入到这个CLH同步队列的对尾并一直保持着自旋。在CLH同步队列中的线程在自旋时会判断其前驱节点是否为首节点，若是为首节点则不断尝试获取同步状态，获取成功则退出CLH同步队列。当线程执行完逻辑后，会释放同步状态，释放后会唤醒其后继节点。
共享模式
acquireShared方法
doc翻译:以共享模式获取，忽略中断。 经过首先调用{@link #tryAcquireShared}来实现，成功返回。 不然线程排队，可能反复阻塞和解除阻塞，调用{@link #tryAcquireShared}直到成功。
简单点说就是这个方法会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
tryAcquireShared方法
tryAcquireShared()依然须要自定义实现类去实现。可是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值表明获取失败；0表明获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其余线程还能够去获取。
//共享式获取同步状态
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
doAcquireShared方法
doc翻译：以共享不间断模式获取
此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其余线程释放资源唤醒本身，本身成功拿到相应量的资源后才返回。
private void doAcquireShared(int arg) {
//队列尾部添加共享模式的节点
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
//获取上一个节点,若是上一个节点时head，尝试获取资源
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);//成功有剩余资源，将head指向本身，唤醒以后的线程
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
setHeadAndPropagate方法
设置队列头，并检查后继者是否在共享模式下等待，若是是传播，若是传播> 0或PROPAGATE状态已设置。
这个方法除了从新标记head指向的节点外，还有一个重要的做用，那就是propagate（传递），
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
setHead(node);
/*
* Try to signal next queued node if:
* Propagation was indicated by caller,
* or was recorded (as h.waitStatus either before
* or after setHead) by a previous operation
* (note: this uses sign-check of waitStatus because
* PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)
* and
* The next node is waiting in shared mode,
* or we don't know, because it appears null
*
* The conservatism in both of these checks may cause
* unnecessary wake-ups, but only when there are multiple
* racing acquires/releases, so most need signals now or soon
* anyway.
*/
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
doReleaseShared方法
共享模式的释放操做 - 发出后续信号并确保传播。 （注意：对于独占模式，若是须要信号，只需调用数量来调用head的unparkSuccessor。）
private void doReleaseShared() {
/*
* Ensure that a release propagates, even if there are other
* in-progress acquires/releases. This proceeds in the usual
* way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
* signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
* ensure that upon release, propagation continues.
* Additionally, we must loop in case a new node is added
* while we are doing this. Also, unlike other uses of
* unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
* fails, if so rechecking.
*/
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
acquireShared总结
- tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回。
- doAcquireShared()会将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其余线程释放资源唤醒本身。它还会尝试着让唤醒传递到后面的节点。
releaseShared方法
以共享模式发布。, 若是{@link #tryReleaseShared}返回true，则经过解除阻塞一个或多个线程来实现。
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
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