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AQS(AbstractQueuedSynchronizer)同步器的底层解析

2018-08-04 17:57 出处:清屏网 人气: 评论(0

AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,许多同步类实现都依赖于它,如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch等等 是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架 ,它使用了一个volatile int state 成员变量表示 同步状态 ,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,该队列就是 CLH同步队列

其核心思想是, 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。

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。

state的访问方式有三种:

  • getState()
  • setState()
  • compareAndSetState()

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已经在顶层实现好了。

自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:

  • 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,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。

    重要的点!重点的点!重要的点!:这些方法都是AQS提供的模板方法,是让继承AQS的一些类(比如重入锁的底层实现和读写锁的底层实现Sync类)来根据自身的需求重写的!

同步器依赖内部的同步队列(一个FIFO双向队列)来完成同步状态的管理,当前线程获取同步状态失败时,同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点(Node)并将其加入CLH同步队列, 同时会阻塞当前线程(自旋判断自己是否要阻塞) ,当同步状态释放时,会把首节点中的线程唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。

同步队列中的节点(Node)用来保存获取同步状态失败的线程引用、等待状态以及前驱和后继节点:

加入队列的过程必须要保证线程安全,因此同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点的方法:compareAndSetTail(Node expect,Node update),它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点,只有设置成功后,当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。

同步队列遵循FIFO,首节点是获取同步状态成功的节点,首节点的线程在释放同步状态时,将会唤醒后继节点,而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。置首节点是通过获取同步状态成功的线程来完成的,由于只有一个线程能够成功获取到同步状态, 因此设置头节点的方法并不需要使用CAS来保证

独占式状态获取

独占式,同一时刻仅有一个线程持有同步状态。

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同步队列的队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,如果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。

获得同步状态操作

  • tryAcquire:去尝试获取锁,获取成功则设置锁状态并返回true,否则返回false。 该方法自定义同步组件自己实现 ,该方法必须要保证线程安全的获取同步状态。
  • addWaiter:如果tryAcquire返回FALSE(获取同步状态失败),则调用该方法将当前线程加入到CLH同步队列尾部。
  • acquireQueued:当前线程会根据公平性原则来进行阻塞等待(自旋),直到获取锁为止;并且返回当前线程在等待过程中有没有中断过。
  • selfInterrupt:产生一个中断。

acquire(int arg)方法为AQS提供的模板方法,该方法为独占式获取同步状态

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

acquireQueued方法为一个自旋的过程,也就是说当前线程(Node)进入同步队列后,就会进入一个自旋的过程,每个节点都会自省地观察,当条件满足,获取到同步状态后,就可以从这个自旋过程中退出,否则会一直执行下去。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        //中断标志
        boolean interrupted = false;
        //自旋过程——死循环
        for (;;) {
            //获得当前线程的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            //如果当前线程的前驱节点是头节点,同步状态成功了
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);//设置头节点为自己(非CAS方法)
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;//在此处返回
            }
            //如果前驱节点不是首结点,或者同步失败,则判断是否阻塞当前线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

在线程获取同步状态时如果获取失败,则加入CLH同步队列,通过通过自旋的方式不断获取同步状态,但是在自旋的过程中则需要判断当前线程是否需要阻塞。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //获得前驱节点的状态
    int ws = pred.waitStatus;
    //如果前驱节点的等待状态是SIGNAL,表示当前节点将来可以被唤醒,那么当前节点就可以安全的挂起了,返回true
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    //如果前驱结点状态大于0,表明节点已经超时或者被中断,需要移出队列
    if (ws > 0) {
        //移出队列逻辑并返回false
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        //上述条件都不符合则通过CAS将前驱节点设置为signal
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)方法返回true,则调用parkAndCheckInterrupt()方法阻塞当前线程。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);//停止自旋,等待将来被唤醒
    return Thread.interrupted();
}

当前线程在“死循环”中尝试获取同步状态,而只有前驱节点是头节点才能够尝试获取同步状态,这是为什么?原因有两个,如下。

  • 第一,头节点是成功获取到同步状态的节点,而头节点的线程释放了同步状态之后,将会唤醒其后继节点,后继节点的线程被唤醒后需要检查自己的前驱节点是否是头节点。
  • 第二,维护同步队列的FIFO原则。

释放同步状态操作

当线程释放同步状态后,则需要唤醒该线程的后继节点

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            //唤醒后继节点
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //当前节点状态
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //当前节点的后继节点
    Node s = node.next;
    //后继节点超时或者中断了
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        //从tail尾节点回溯找到第一个可用节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    //唤醒后继节点
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

共享式状态获取

共享式获取与独占式获取最主要的区别在于同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。以文件的读写为例,如果一个程序在对文件进行读操作,那么这一时刻对于该文件的写操作均被阻塞,而读操作能够同时进行。写操作要求对资源的独占式访问,而读操作可以是共享式访问。这部分其实要看读写锁是怎么实现的,AQS只是提供了一个模板,具体共享是怎么实现的可以看读写锁的源码!

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。

AQS提供acquireShared(int arg)方法共享式获取同步状态,方法首先是调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态,如果获取失败则调用doAcquireShared(int arg)自旋方式获取同步状态。

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //获取失败则自旋获取同步状态
        doAcquireShared(arg);
}
private void doAcquireShared(int arg) {
    //共享式节点
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            //如果是前驱节点则尝试获取同步状态
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

AQS应用举例

  • 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。

  • 再以 CountDownLatch 以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

  • 一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如 ReentrantReadWriteLock

参考:

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本文标签: AQS同步器

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