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  • Java-AQS源码详解(细节很多!)

    ReentrantLock调用lock()时时序图:

    addWaiter方法:

    enq方法:自旋 

      它维护了一个volatile int state(代表共享资源)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)。这里volatile是核心关键词,具体volatile的语义,在此不述。state的访问方式有三种:

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

      aqs有两种资源访问模式:独占(ReentrantLock)和共享(CountDownLatch和Semaphore、CyclicBarrier)

      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!接下来开始撸吧。。至于这里双向链表是怎么样的一个结构,这里就不做多于的描述了,大家可以自行去补充。

      

       首先我们由一张图开头,我们要知道AQS其实主要实现的是一个FIFO的双向链表的维护,每个Node其实就是一个等待被释放的线程,在竞争锁失败后,会封装成Node的形式进入到链表尾部。。在了解了最基本的概念后,我们先来看看AQS最经典的应用ReentrantLock的lock方法:

    public void lock() {
            sync.lock();// sync主要两种实现类
    }
    // 第一种非公平锁
    static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    /**非公平锁实现的lock方法
    */
    final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))// CAS操作去尝试将state变为1,也就是独占状态
    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());// 非公平锁并不会老老实实去排队,而是一上来就插队,插不了就只能去排队了。。
    else
    acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
    }
    // 第二种公平锁
    static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

    final void lock() {
    acquire(1);// 相比于非公平锁,就比较守规矩了
    }

      因为非公平和公平就只有这么一个差别,那我就以非公平锁为切入点了,可以看到在尝试抢占失败后,调用acquire方法,ok进入到该方法:

    // 此方法是AQS的,但是注意里面的tryAcquire是需要我们的自定义AQS实现的,直接调用AQS的会直接抛出异常UnsupportedOperationException
    public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
    }

      tryAcquire是NonfairSync实现的,而他内部又直接调用Sync父类的nonfairTryAcquire方法:

    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
                final Thread current = Thread.currentThread();
                int c = getState();
                if (c == 0) {
                    if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                        setExclusiveOwnerThread(current);// 直接CAS独占
                        return true;
                    }
                }
                else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                    int nextc = c + acquires;// 这里很确切的说明了ReentrantLock是一个可重入的锁
                    if (nextc < 0) // overflow
                        throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                    setState(nextc);
                    return true;
                }
                return false;
    }

      上面的方法相信大家应该很快就理解了,在尝试独占失败后,tryAcquire操作返回false,然后这个时候要做的操作相信大家也可以猜到,就是插入到双向链表中,看上面的代码,第一个操作是addWaiter,于是我们贴出这个方法涉及的源码:

    private Node addWaiter(Node mode) {
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// 在这里首先根据当前线程创建出一个节点
            Node pred = tail;// 既然要插入节点,肯定是要插入到最尾部的,先获取到tail节点
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;// 将当前节点的prev和尾部节点关联 --第五行
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;// node和老tail关联完成
                    return node;
                }
            }
            enq(node);
            return node;
    }

      如果某个线程在插入队列没有其他线程干扰的话,enq都不会进去的,直接在CAS设置成tail之后直接返回了,但是实际上,总是会有那么几个“不长眼”的线程来和你对着干。。。来假设这么一个场景:A线程是tail节点,此时B和C进来,他们都同时进入到第五行那里,也就是你会发现A会有B和C两个节点的prev指向它,但是下一行的CAS操作是一个原子性操作,所以B和C只能一个成为tail,那么又假设B成功CAS了,也就是B可以直接返回,但是C就比较“悲催”了,它得进入到下一个方法enq,因为此时的链表结构很是奇怪,C的prev指向了old tail:A,所以得做一个“修复”结构操作,将C的prev指向B,接下来看enq代码:

    private Node enq(final Node node) {// 此时没有成功CAS的C节点“失魂落魄”的走了进来
            for (;;) {
                Node t = tail;
                if (t == null) { //
                    if (compareAndSetHead(new Node()))// 如果此时队列完全为空(第一个线程进来),需要弄一个冗余head节点,之后你会看到作用的。。别急
                        tail = head;
                } else {
                    node.prev = t;// 此时的C节点要和B节点绑上关系
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;// 关联完成
                        return t;
                    }
                }
            }
    }

      此时的C应该是可以回到正轨的,就算此时又一个线程打扰了C的关联操作而导致CAS失败,但是因为代码在for循环里,可以重试,基本上很快就可以回到队列正轨!!于是我们又可以愉快的进行下一个步骤了,再回到我们熟悉的acquire(有点绕,忘记的往上翻),可以看到addWaiter之后,会将当前节点返回给一个“新面孔”-acquireQueued方法作为参数,我们再看看这个方法是怎么做的:

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            boolean failed = true;
            try {
                boolean interrupted = false;
                for (;;) {
                    final Node p = node.predecessor();// 当前节点的前置节点
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 当前置节点为head,那么可以去尝试获取锁,成功的话就调用setHead方法将自己设置为head节点 setHead(node); p.next
    = null; // help GC failed = false; return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 判断当前节点是否可以被阻塞,shouldParkAfterFailedAcquire方法为核心 interrupted
    = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }

       可以看到,如果当前节点的上一个节点就是head的话,说明当前可以竞争到锁的概率会很大,一旦head节点的线程执行完unlock后,当前的state变为0,当前节点就可以进入到setHead方法,但是如果头节点还在执行中,那么当前节点只能老老实实的进入到shouldParkAfterFailedAcquire方法内部,来决定当前节点是否应该能被阻塞:

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //
    static final int CANCELLED = 1;
          static final int SIGNAL = -1;
          static final int CONDITION = -2;
          static final int PROPAGATE = -3;
          int ws = pred.waitStatus;// 在这里终于有用上这个变量了
          
    if (ws == Node.SIGNAL)
           
    /* 在这里我打算用一个很易于理解的方式来讲述这个SIGNAL值有什么用:
            相信大家都有过排队的经历,在这里服务窗口相当于锁,每个人过来时,发现窗口有其他人在,所以此时只能去队尾排队,也就是addWaiter操作,在队尾后,waitStatus的值默认是0,但是此时刚排进队的小伙伴,因为队伍太长,
            而且比较累,需要低头打个盹,但是怕如果瞌睡打过头了,就不知道什么时候窗口没人了可以被服务,所以此时小伙伴为了保险,他需要一个可靠的“前置队友”,也就是他前面的人如果业务办完了,可以顺便回头来叫醒他,在这里可
            以把“委托前面的人,如果结束了麻烦叫醒我,谢谢!”这个操作理解为将prev节点的waitStatus设置为SIGNAL,如果前置节点的waitStatus不是0,需要尝试设置为SIGNAL,但如果前面的小伙伴已经是SIGNAL了,直接返回,
            说明当前小伙伴可以安心的打盹了(被阻塞)!!
    */ return true;   if (ws > 0) { /* * 如果是CANCELLED,代表当前节点已经不需要处理业务了,可以在队列里直接清除出去,然后队列重新规整
    */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node;  } else { /* 到这一步,就会尝试去将前置节点设置为SIGNAL,但是有可能会设置失败或者设置成功,但是不论成功还是失败,都会返回false,也就是在上面的acquireQueued中,返回false后会继续for循环里去尝试获取锁,
             因为小伙伴必须要确定前面的伙伴要靠谱,也就是必须要是SIGNAL */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }

      我们再来看看unlock方法,他有直接调用AQS的release方法,而tryRelease方法由自定义的AQS类实现:

    public final boolean release(int arg) {
            if (tryRelease(arg)) {
                Node h = head;
                if (h != null && h.waitStatus != 0)
                    unparkSuccessor(h);// 关键操作,如何去唤醒后面的小伙伴
                return true;
            }
            return false;
    }
    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);// 彻底释放锁后,将ownerThread设置为null,重置state
                }
                setState(c);
                return free;
    }

      tryRelease操作其实很好理解,主要是unparkSuccessor方法:

    private void unparkSuccessor(Node node) {
            /*
             * 在释放完锁后,此时的节点他已经不需要SIGNAL这个状态了,因为他觉得自己办完业务了,就可以尝试去给自己“放个假”,当变成0的时候,后面的小伙伴在shouldPark里就会返回false,代表当前前置节点很有可能不是刚刚初始化
          导致的waitStatus == 0,而是前置节点刚释放完锁,所以就是head:“我此时已经释放完锁了,后面的,你现在就别打盹了,赶紧再去尝试抢锁吧!”,于是此时心急的小伙伴就赶紧再进入for循环里尝试tryAcquire
    */ 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)
              // 从后往前,找到第一个需要被唤醒的小伙伴,状态也是必须>=0,至于为什么会==0,因为最后一个节点的status一定是0
    if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread);// 此时的s就是下一个需要被唤醒的,于是unpark }

       不知道你们有没有发现,为什么上面的代码里要从后往前扫描呢,双向链表不是两边都可以扫吗,这个就很有趣了,不知道你们有没有看到在addWaiter和enq方法里,在将当前节点CAS成tail的前一步,有一个先将node的prev设置为前一个节点,也就是双向表的建立关系是先后节点连接前节点开始的,但是因为设置两个节点的关系时不是原子操作,那么就会导致可能prev关系存在,但是next关系不存在的时候,unpark操作就开始需要去遍历链表了,而这个时候,用next操作就很可能会遗漏掉哪个“小伙伴”而导致出现误“唤醒”!!

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