简介

AQS核心思想是,如果被请求的共享资源空闲,则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用,那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制,这个机制AQS是用CLH队列锁实现的,即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

AQS使用一个int成员变量来表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state;//共享变量,使用volatile修饰保证线程可见性

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {  
        return state;
}
 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState;
}
//原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

AQS 对资源的共享方式

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。又可分为公平锁和非公平锁:

  • 公平锁:按照线程在队列中的排队顺序,先到者先拿到锁
  • 非公平锁:当线程要获取锁时,无视队列顺序直接去抢锁,谁抢到就是谁的

Share(共享):多个线程可同时执行

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式,因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。 不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。

自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可,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已经在上层已经帮我们实现好了。

AQS底层使用了模板方法模式

isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。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。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

默认情况下,每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的,并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ,所以无法被其他类使用,只有这几个方法可以被其他类使用。

以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

底层数据结构

AbstractQueuedSynchronizer类底层的数据结构是使用CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例,仅存在结点之间的关联关系)。

AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。其中Sync queue,即同步队列,是双向链表,包括head结点和tail结点,head结点主要用作后续的调度。

而Condition queue不是必须的,其是一个单向链表,只有当使用Condition时,才会存在此单向链表。并且可能会有多个Condition queue。

AbstractQueuedSynchronizer源码分析

类的继承关系

AbstractQueuedSynchronizer继承自AbstractOwnableSynchronizer抽象类,并且实现了Serializable接口,可以进行序列化。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable

其中AbstractOwnableSynchronizer抽象类主要用于存储独占模式下当前的线程是哪一个,源码如下:


public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    // 版本序列号
    private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;
    // 构造方法
    protected AbstractOwnableSynchronizer() { }
    // 独占模式下的线程
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;
    
    // 设置独占线程 
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }
    
    // 获取独占线程 
    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
        return exclusiveOwnerThread;
    }
}

AbstractQueuedSynchronizer

有两个内部类,Node和ConditionObject

Node


static final class Node {
    // 模式,分为共享与独占
    // 共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;        
    // 结点状态
    // CANCELLED,值为1,表示当前的线程被取消
    // SIGNAL,值为-1,表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行,也就是unpark
    // CONDITION,值为-2,表示当前节点在等待condition,也就是在condition队列中
    // PROPAGATE,值为-3,表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
    // 值为0,表示当前节点在sync队列中,等待着获取锁
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;        
    // 结点状态
    volatile int waitStatus;        
    // 前驱结点
    volatile Node prev;    
    // 后继结点
    volatile Node next;        
    // 结点所对应的线程
    volatile Thread thread;        
    // 下一个等待者
    Node nextWaiter;
    
    // 结点是否在共享模式下等待
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    // 获取前驱结点,若前驱结点为空,抛出异常
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        // 保存前驱结点
        Node p = prev; 
        if (p == null) // 前驱结点为空,抛出异常
            throw new NullPointerException();
        else // 前驱结点不为空,返回
            return p;
    }
    
    // 无参构造方法
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    
    // 构造方法
        Node(Thread thread, Node mode) {    // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    
    // 构造方法
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

ConditionObject

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    // condition队列的头结点
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    // condition队列的尾结点
    private transient Node lastWaiter;

    // 构造方法
    public ConditionObject() { }


    // 添加新的waiter到wait队列
    private Node addConditionWaiter() {
        // 保存尾结点
        Node t = lastWaiter;
        // If lastWaiter is cancelled, clean out.
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { // 尾结点不为空,并且尾结点的状态不为CONDITION
            // 清除状态为CONDITION的结点
            unlinkCancelledWaiters(); 
            // 将最后一个结点重新赋值给t
            t = lastWaiter;
        }
        // 新建一个结点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        if (t == null) // 尾结点为空
            // 设置condition队列的头结点
            firstWaiter = node;
        else // 尾结点不为空
            // 设置为节点的nextWaiter域为node结点
            t.nextWaiter = node;
        // 更新condition队列的尾结点
        lastWaiter = node;
        return node;
    }

    private void doSignal(Node first) {
        // 循环
        do {
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) // 该节点的nextWaiter为空
                // 设置尾结点为空
                lastWaiter = null;
            // 设置first结点的nextWaiter域
            first.nextWaiter = null;
        } while (!transferForSignal(first) &&
                    (first = firstWaiter) != null); // 将结点从condition队列转移到sync队列失败并且condition队列中的头结点不为空,一直循环
    }

    private void doSignalAll(Node first) {
        // condition队列的头结点尾结点都设置为空
        lastWaiter = firstWaiter = null;
        // 循环
        do {
            // 获取first结点的nextWaiter域结点
            Node next = first.nextWaiter;
            // 设置first结点的nextWaiter域为空
            first.nextWaiter = null;
            // 将first结点从condition队列转移到sync队列
            transferForSignal(first);
            // 重新设置first
            first = next;
        } while (first != null);
    }

    // 从condition队列中清除状态为CANCEL的结点
    private void unlinkCancelledWaiters() {
        // 保存condition队列头结点
        Node t = firstWaiter;
        Node trail = null;
        while (t != null) { // t不为空
            // 下一个结点
            Node next = t.nextWaiter;
            if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { // t结点的状态不为CONDTION状态
                // 设置t节点的额nextWaiter域为空
                t.nextWaiter = null;
                if (trail == null) // trail为空
                    // 重新设置condition队列的头结点
                    firstWaiter = next;
                else // trail不为空
                    // 设置trail结点的nextWaiter域为next结点
                    trail.nextWaiter = next;
                if (next == null) // next结点为空
                    // 设置condition队列的尾结点
                    lastWaiter = trail;
            }
            else // t结点的状态为CONDTION状态
                // 设置trail结点
                trail = t;
            // 设置t结点
            t = next;
        }
    }

    // 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件,则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前,该线程必须重新获取锁。
    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占,抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 保存condition队列头结点
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null) // 头结点不为空
            // 唤醒一个等待线程
            doSignal(first);
    }


    // 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件,则唤醒所有线程。在从 await 返回之前,每个线程都必须重新获取锁。
    public final void signalAll() {
        if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占,抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 保存condition队列头结点
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null) // 头结点不为空
            // 唤醒所有等待线程
            doSignalAll(first);
    }

    // 等待,当前线程在接到信号之前一直处于等待状态,不响应中断
    public final void awaitUninterruptibly() {
        // 添加一个结点到等待队列
        Node node = addConditionWaiter();
        // 获取释放的状态
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean interrupted = false;
        while (!isOnSyncQueue(node)) { // 
            // 阻塞当前线程
            LockSupport.park(this);
            if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断
                // 设置interrupted状态
                interrupted = true; 
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) // 
            selfInterrupt();
    }

    /** Mode meaning to reinterrupt on exit from wait */
    private static final int REINTERRUPT =  1;
    /** Mode meaning to throw InterruptedException on exit from wait */
    private static final int THROW_IE    = -1;

    private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
        return Thread.interrupted() ?
            (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
            0; 
    }

    private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
        throws InterruptedException {
        if (interruptMode == THROW_IE)
            throw new InterruptedException();
        else if (interruptMode == REINTERRUPT)
            selfInterrupt();
    }

    // 等待,当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断,抛出异常
            throw new InterruptedException();
        // 在wait队列上添加一个结点
        Node node = addConditionWaiter();
        // 
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // 阻塞当前线程
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) // 检查结点等待时的中断类型
                break;
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

    // 等待,当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态 
    public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();
        int savedState = fullyRelease(node);
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            if (nanosTimeout <= 0L) {
                transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return deadline - System.nanoTime();
    }

    // 等待,当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
    public final boolean awaitUntil(Date deadline)
            throws InterruptedException {
        long abstime = deadline.getTime();
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean timedout = false;
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
                timedout = transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            LockSupport.parkUntil(this, abstime);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return !timedout;
    }

    // 等待,当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
    public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();
        int savedState = fullyRelease(node);
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        boolean timedout = false;
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            if (nanosTimeout <= 0L) {
                timedout = transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return !timedout;
    }

    final boolean isOwnedBy(AbstractQueuedSynchronizer sync) {
        return sync == AbstractQueuedSynchronizer.this;
    }

    //  查询是否有正在等待此条件的任何线程
    protected final boolean hasWaiters() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
            if (w.waitStatus == Node.CONDITION)
                return true;
        }
        return false;
    }

    // 返回正在等待此条件的线程数估计值
    protected final int getWaitQueueLength() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        int n = 0;
        for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
            if (w.waitStatus == Node.CONDITION)
                ++n;
        }
        return n;
    }

    // 返回包含那些可能正在等待此条件的线程集合
    protected final Collection<Thread> getWaitingThreads() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        ArrayList<Thread> list = new ArrayList<Thread>();
        for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
            if (w.waitStatus == Node.CONDITION) {
                Thread t = w.thread;
                if (t != null)
                    list.add(t);
            }
        }
        return list;
    }
}

总结

AQS底层是通过一个状态量State记录当前同步器的状态,这个状态量的更改是通过CAS方式更新,同时维护了一个等待队列,如果新的任务进来的时候发现AQS是独占模式并且状态为0,则表示可以直接执行,如果状态为1则加入等待队列(双向链表),当调用unlock的时候唤醒等待队列中没有被取消的线程。

如果为非公平模式,当AQS已经被使用完成,从等待队列中唤醒一个任务的时候同时有一个任务也正加入进来,则两个任务直接竞争。如果是公平模式则直接将新加的任务放入队尾。

而AQS中还有Condition,也就是一个锁可以有多个条件来保证并发

推荐阅读:JUC:AQS详解

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