内容简介:一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer
在分析 java 并发包java.util.concurrent源码的时候,少不了需要了解AbstractQueuedSynchronizer(以下简写AQS)这个抽象类,因为它是java并发包的基础 工具 类,是实现ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask等类的基础。
Google一下AbstractQueuedSynchronizer,我们可以找到很多关于AQS的介绍,但是很多都没有介绍清楚,因为大部分文章没有把其中的一些关键的细节说清楚。
本文将从ReentrantLock的公平锁源码出发,分析下AbstractQueuedSynchronizer这个类是怎么工作的,希望能给大家提供一些简单的帮助。
申明以下几点:
- 本文有点长,但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。
- 建议在电脑上阅读,如果你想好好地理解所有的细节,而且你从来没看过相关的分析,你可能至少需要20分钟仔细看所有的描述,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。
- 如果你不知道为什么要看这个,我想告诉你,即使你看懂了所有的细节,你可能也不能把你的业务代码写得更好
- 源码环境JDK1.7,看到不懂或有疑惑的部分,最好能自己打开源码看看。Doug Lea大神的代码写得真心不错。
- 有很多英文注释我没有删除,这样读者可以参考着英文说的来,万一被我忽悠了呢
- 本文不分析共享模式,这样可以给读者减少很多负担,只要把独占模式看懂,共享模式读者应该就可以顺着代码看懂了。而且也不分析condition部分,所以应该说很容易就可以看懂了。
- 本文大量使用我们平时用得最多的ReentrantLock的概念,本质上来说是不正确的,读者应该清楚,AQS不仅仅用来实现锁,只是希望读者可以用锁来联想AQS的使用场景,降低读者的阅读压力
- 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
- 你需要提前知道什么是CAS(CompareAndSet)
废话结束,开始。
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,毕竟可以猜嘛!
// 头结点,你直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的 private transient volatile Node head; // 阻塞的尾节点,每个新的节点进来,都插入到最后,也就形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,代表当前锁的状态,0代表没有被占用,大于0代表有线程持有当前锁 // 之所以说大于0,而不是等于1,是因为锁可以重入嘛,每次重入都加上1 private volatile int state; // 代表当前持有独占锁的线程,举个最重要的使用例子,因为锁可以重入 // reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次,所以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的等待队列示意如下所示,注意了,之后分析过程中所说的queue,也就是阻塞队列不包含head,不包含head,不包含head。
等待队列中每个线程被包装成一个node,数据结构是链表,一起看看源码吧:
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需要被唤醒 static final int SIGNAL = -1; /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */ // 本文不分析condition,所以略过吧 static final int CONDITION = -2; /** * waitStatus value to indicate the next acquireShared should * unconditionally propagate */ // 同样的不分析,略过吧 static final int PROPAGATE = -3; // ===================================================== // 取值为上面的1、-1、-2、-3,或者0(以后会讲到) // 这么理解,暂时只需要知道如果这个值 大于0 代表此线程取消了等待, // 也许就是说半天抢不到锁,不抢了,ReentrantLock是可以指定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,大家先要有这个概念在心里。
上面的是基础知识,后面会多次用到,心里要时刻记着它们,心里想着这个结构图就可以了。下面,我们开始说ReentrantLock的公平锁。多嘴一下,我说的阻塞队列不包含head节点。
首先,我们先看下ReentrantLock的使用方式。
// 我用个web开发中的service概念吧 public class OrderService{ // 使用static,这样每个线程拿到的是同一把锁,当然,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(){ try { // 比如我们同一时间,只允许一个线程创建订单 reentrantLock.lock(); // 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程), // 其他的线程在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,所以真正的获取锁和释放锁是由Sync的实现类来控制的。
abstract static class Syncextends AbstractQueuedSynchronizer{ }
Sync有两个实现,分别为NonfairSync(非公平锁)和FairSync(公平锁),我们看FairSync部分。
public ReentrantLock(booleanfair){ sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); }
线程抢锁
很多人肯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 FairSyncextends 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,下面分析的时候同样会这样做,不会给读者带来阅读压力 // 我们看到,这个方法,如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。 // 否则,acquireQueued方法会将线程压到队列中 public final void acquire(intarg){ // 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 // 因为有可能直接就成功了呢,也就不需要进队列排队了, // 对于公平锁的语义就是:本来就没人持有锁,根本没必要进队列等待(又是挂起,又是等待被唤醒的) if (!tryAcquire(arg) && // tryAcquire(arg)没有成功,这个时候需要把当前线程挂起,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,代表是否获取到锁 // 返回true:1.没有线程在等待锁;2.重入锁,线程本来就持有锁,也就可以理所当然可以直接获取 protected final boolean tryAcquire(intacquires){ final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // state == 0 此时此刻没有线程持有锁 if (c == 0) { // 虽然此时此刻锁是可以用的,但是这是公平锁,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() && // 如果没有线程在等待,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 =_= // 因为刚刚还没人的,我判断过了:joy::joy::joy: compareAndSetState(0, acquires)) { // 到这里就是获取到锁了,标记一下,告诉大家,现在是我占用了锁 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 会进入这个else if分支,说明是重入了,需要操作:state=state+1 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } // 如果到这里,说明前面的if和else if都没有返回true,说明没有获取到锁 // 回到上面一个外层调用方法继续看: // if (!tryAcquire(arg) // && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // selfInterrupt(); return false; } // 假设tryAcquire(arg) 返回false,那么代码将执行: // acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg), // 这个方法,首先需要执行:addWaiter(Node.EXCLUSIVE) /** * Creates and enqueues node for current thread and given mode. * * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared * @return the new node */ // 此方法的作用是把线程包装成node,同时进入到队列中 // 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE,代表独占模式 privateNodeaddWaiter(Node mode){ Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure // 以下几行代码想把当前node加到链表的最后面去,也就是进到阻塞队列的最后 Node pred = tail; // tail!=null => 队列不为空(tail==head的时候,其实队列是空的,不过不管这个吧) if (pred != null) { // 设置自己的前驱 为当前的队尾节点 node.prev = pred; // 用CAS把自己设置为队尾, 如果成功后,tail == node了 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 进到这里说明设置成功,当前node==tail, 将自己与之前的队尾相连, // 上面已经有 node.prev = pred // 加上下面这句,也就实现了和之前的尾节点双向连接了 pred.next = node; // 线程入队了,可以返回了 return node; } } // 仔细看看上面的代码,如果会到这里, // 说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队) // 读者一定要跟上思路,如果没有跟上,建议先不要往下读了,往回仔细看,否则会浪费时间的 enq(node); return node; } /** * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. * @param node the node to insert * @return node's predecessor */ // 采用自旋的方式入队 // 之前说过,到这个方法只有两种可能:等待队列为空,或者有线程竞争入队, // 自旋在这边的语义是:CAS设置tail过程中,竞争一次竞争不到,我就多次竞争,总会排到的 privateNodeenq(finalNode node){ for (;;) { Node t = tail; // 之前说过,队列为空也会进来这里 if (t == null) { // Must initialize // 初始化head节点 // 细心的读者会知道原来head和tail初始化的时候都是null,反正我不细心 // 还是一步CAS,你懂的,现在可能是很多线程同时进来呢 if (compareAndSetHead(new Node())) // 给后面用:这个时候head节点的waitStatus==0, 看new Node()构造方法就知道了 // 这个时候有了head,但是tail还是null,设置一下, // 把tail指向head,放心,马上就有线程要来了,到时候tail就要被抢了 // 注意:这里只是设置了tail=head,这里可没return哦,没有return,没有return // 所以,设置完了以后,继续for循环,下次就到下面的else分支了 tail = head; } else { // 下面几行,和上一个方法 addWaiter 是一样的, // 只是这个套在无限循环里,反正就是将当前线程排到队尾,有线程竞争的话排不上重复排 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } } // 现在,又回到这段代码了 // if (!tryAcquire(arg) // && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // selfInterrupt(); // 下面这个方法,参数node,经过addWaiter(Node.EXCLUSIVE),此时已经进入阻塞队列 // 注意一下:如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的话, // 意味着上面这段代码将进入selfInterrupt(),所以正常情况下,下面应该返回false // 这个方法非常重要,应该说真正的线程挂起,然后被唤醒后去获取锁,都在这个方法里了 final boolean acquireQueued(finalNode node,intarg){ boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // p == head 说明当前节点虽然进到了阻塞队列,但是是阻塞队列的第一个,因为它的前驱是head // 注意,阻塞队列不包含head节点,head一般指的是占有锁的线程,head后面的才称为阻塞队列 // 所以当前节点可以去试抢一下锁 // 这里我们说一下,为什么可以去试试: // 首先,它是队头,这个是第一个条件,其次,当前的head有可能是刚刚初始化的node, // enq(node) 方法里面有提到,head是延时初始化的,而且new Node()的时候没有设置任何线程 // 也就是说,当前的head不属于任何一个线程,所以作为队头,可以去试一试, // tryAcquire已经分析过了, 忘记了请往前看一下,就是简单用CAS试操作一下state if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 到这里,说明上面的if分支没有成功,要么当前node本来就不是队头, // 要么就是tryAcquire(arg)没有抢赢别人,继续往下看 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } /** * Checks and updates status for a node that failed to acquire. * Returns true if thread should block. This is the main signal * control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev * * @param pred node's predecessor holding status * @param node the node * @return {@code true} if thread should block */ // 刚刚说过,会到这里就是没有抢到锁呗,这个方法说的是:"当前线程没有抢到锁,是否需要挂起当前线程?" // 第一个参数是前驱节点,第二个参数才是代表当前线程的节点 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node){ int ws = pred.waitStatus; // 前驱节点的 waitStatus == -1 ,说明前驱节点状态正常,当前线程需要挂起,直接可以返回true if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; // 前驱节点 waitStatus大于0 ,之前说过,大于0 说明前驱节点取消了排队。这里需要知道这点: // 进入阻塞队列排队的线程会被挂起,而唤醒的操作是由前驱节点完成的。 // 所以下面这块代码说的是将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点, // 简单说,就是为了找个好爹,因为你还得依赖它来唤醒呢,如果前驱节点取消了排队, // 找前驱节点的前驱节点做爹,往前循环总能找到一个好爹的 if (ws > 0) { /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don't park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ // 仔细想想,如果进入到这个分支意味着什么 // 前驱节点的waitStatus不等于-1和1,那也就是只可能是0,-2,-3 // 在我们前面的源码中,都没有看到有设置waitStatus的,所以每个新的node入队时,waitStatu都是0 // 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1) compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; } // private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) // 这个方法结束根据返回值我们简单分析下: // 如果返回true, 说明前驱节点的waitStatus==-1,是正常情况,那么当前线程需要被挂起,等待以后被唤醒 // 我们也说过,以后是被前驱节点唤醒,就等着前驱节点拿到锁,然后释放锁的时候叫你好了 // 如果返回false, 说明当前不需要被挂起,为什么呢?往后看 // 跳回到前面是这个方法 // if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // parkAndCheckInterrupt()) // interrupted = true; // 1. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true, // 那么需要执行parkAndCheckInterrupt(): // 这个方法很简单,因为前面返回true,所以需要挂起线程,这个方法就是负责挂起线程的 // 这里用了LockSupport.park(this)来挂起线程,然后就停在这里了,等待被唤醒======= private final boolean parkAndCheckInterrupt(){ LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } // 2. 接下来说说如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的情况 // 仔细看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node),我们可以发现,其实第一次进来的时候,一般都不会返回true的,原因很简单,前驱节点的waitStatus=-1是依赖于后继节点设置的。也就是说,我都还没给前驱设置-1呢,怎么可能是true呢,但是要看到,这个方法是套在循环里的,所以第二次进来的时候状态就是-1了。 // 解释下为什么shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的时候不直接挂起线程: // => 是为了应对在经过这个方法后,node已经是head的直接后继节点了。剩下的读者自己想想吧。 }
说到这里,也就明白了,多看几遍final boolean acquireQueued(final Node node, int arg)这个方法吧。自己推演下各个分支怎么走,哪种情况下会发生什么,走到哪里。
解锁操作
最后,就是还需要介绍下唤醒的动作了。我们知道,正常情况下,如果线程没获取到锁,线程会被LockSupport.park(this);挂起停止,等待被唤醒。
// 唤醒的代码还是比较简单的,你如果上面加锁的都看懂了,下面都不需要看就知道怎么回事了 public final boolean release(intarg){ // 往后看吧 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } // 回到ReentrantLock看tryRelease方法 protected final boolean tryRelease(intreleases){ int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 是否完全释放锁 boolean free = false; // 其实就是重入的问题,如果c==0,也就是说没有嵌套锁了,可以释放了,否则还不能释放掉 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } /** * Wakes up node's successor, if one exists. * * @param node the node */ // 唤醒后继节点 // 从上面调用处知道,参数node是head头结点 private void unparkSuccessor(Node node){ /* * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this * fails or if status is changed by waiting thread. */ int ws = node.waitStatus; // 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0 if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * Thread to unpark is held in successor, which is normally * just the next node. But if cancelled or apparently null, * traverse backwards from tail to find the actual * non-cancelled successor. */ // 下面的代码就是唤醒后继节点,但是有可能后继节点取消了等待(waitStatus==1) // 从队尾往前找,找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的 Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 从后往前找,仔细看代码,不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) // 唤醒线程 LockSupport.unpark(s.thread); }
唤醒线程以后,被唤醒的线程将从以下代码中继续往前走:
private final boolean parkAndCheckInterrupt(){ LockSupport.park(this); // 刚刚线程被挂起在这里了 return Thread.interrupted(); } // 又回到这个方法了:acquireQueued(final Node node, int arg),这个时候,node的前驱是head了
好了,后面就不分析源码了,剩下的还有问题自己去仔细看看代码吧。
总结
总结一下吧。
在并发环境下,加锁和解锁需要以下三个部件的协调:
- 锁状态。我们要知道锁是不是被别的线程占有了,这个就是state的作用,它为0的时候代表没有线程占有锁,可以去争抢这个锁,用CAS将state设为1,如果CAS成功,说明抢到了锁,这样其他线程就抢不到了,如果锁重入的话,state进行+1就可以,解锁就是减1,直到state又变为0,代表释放锁,所以lock()和unlock()必须要配对啊。然后唤醒等待队列中的第一个线程,让其来占有锁。
- 线程的阻塞和解除阻塞。AQS中采用了LockSupport.park(thread) 来挂起线程,用unpark来唤醒线程。
- 阻塞队列。因为争抢锁的线程可能很多,但是只能有一个线程拿到锁,其他的线程都必须等待,这个时候就需要一个queue来管理这些线程,AQS用的是一个FIFO的队列,就是一个链表,每个node都持有后继节点的引用。AQS采用了CLH锁的变体来实现,感兴趣的读者可以参考这篇文章关于CLH的介绍,写得简单明了: http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577
示例图解析
下面属于回顾环节,用简单的示例来说一遍,如果上面的有些东西没看懂,这里还有一次帮助你理解的机会。
首先,第一个线程调用reentrantLock.lock(),翻到最前面可以发现,tryAcquire(1) 直接就返回true了,结束。只是设置了state=1,连head都没有初始化,更谈不上什么阻塞队列了。要是线程1调用unlock()了,才有线程2来,那世界就太太太平了,完全没有交集嘛,那我还要AQS干嘛。
如果线程1没有调用unlock()之前,线程2调用了lock(), 想想会发生什么?
线程2会初始化head【new Node()】,同时线程2也会插入到阻塞队列并挂起 (注意看这里是一个for循环,而且设置head和tail的部分是不return的,只有入队成功才会跳出循环)
privateNodeenq(finalNode node){ for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
首先,是线程2初始化head节点,此时head==tail, waitStatus==0
然后线程2入队:
同时我们也要看此时节点的waitStatus,我们知道head节点是线程2初始化的,此时的waitStatus没有设置,java默认会设置为0,但是到shouldParkAfterFailedAcquire这个方法的时候,线程2会把前驱节点,也就是head的waitStatus设置为-1。
那线程2节点此时的waitStatus是多少呢,由于没有设置,所以是0;
如果线程3此时再进来,直接插到线程2的后面就可以了,此时线程3的waitStatus是0,到shouldParkAfterFailedAcquire方法的时候把前驱节点线程2的waitStatus设置为-1。
这里可以简单说下waitStatus中SIGNAL(-1)状态的意思,Doug Lea注释的是:代表后继节点需要被唤醒。也就是说这个waitStatus其实代表的不是自己的状态,而是后继节点的状态,我们知道,每个node在入队的时候,都会把前驱节点的状态改为SIGNAL,然后阻塞,等待被前驱唤醒。这里涉及的是两个问题:有线程取消了排队、唤醒操作。其实本质是一样的,读者也可以顺着“waitStatus代表后继节点的状态”这种思路去看一遍源码。
(全文完)
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