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每门编程语言基本都离不开并发问题#xff0c;Java亦如此。谈到Java的并发就离不开Doug lea老爷子贡献的juc包#xff0c;而AQS又是juc里面的佼佼者 因此今天就一起来聊聊AQS
概念
AQS是什么#xff0c;这里借用官方的话 Provides a framework for implementing blo…缘起
每门编程语言基本都离不开并发问题Java亦如此。谈到Java的并发就离不开Doug lea老爷子贡献的juc包而AQS又是juc里面的佼佼者 因此今天就一起来聊聊AQS
概念
AQS是什么这里借用官方的话 Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers that rely on first-in-first-out wait queues
AQS的全程是AbstractQueuedSynchronizer在这里咱们进行咬文嚼字一下。 Abstract这是AQS采用模板设计模式的基础AQS中将定义了大部分同步的流程仅将加解锁的操作留给子类根据需求进行自定义这也就是为什么使用AQS可以快速开发锁或者同步器的主要原因 Queued这里指的是CLH队列当共享资源被占用时就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配机制AQS通过CLH队列来实现 CLH是一个虚拟的双向链表实现的队列获取不到锁资源时会被AQS封装成Node节点并加入队列。每个线程执行结束都会唤醒其下一个节点 Synchronizer同步控制AQS的同步控制实现有两种。一种是volatileCAS的乐观锁设计另一种是LockSupportCAS的悲观锁设计
切入点
模板方法设计可重入设计CLH队列设计公平/非公平锁设计
模板方法设计
我们来看看AQS的设计流程
从图中可看到AQS设计并且实现了一个同步器/锁的完整流程 但是将tryAcquire/tryAcquireShared和tryRelease/tryReleaseShared这些经常改动的操作设置为抽象方法留给子类自行拓展
acquire方法剖析 这个方法采用门面设计模式将CAS获取锁封装线程以及添加CLH队列的操作封装成一个方法并对外提供 我们常用的ReentrantLock.lock方法实际上就是调用此方法
public final void acquire(int arg) {// 尝试通过CAS获取锁若获取成功则执行同步代码块// 获取失败则通过addWaiter将当前线程封装成AQS的Node节点并加入CLH队列同时中断当前线程if (!tryAcquire(arg) acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}addWaiter方法剖析 Node是AQS的内部类Node是组成CLH队列的节点 申请公平/非公平锁失败都会被加入CLH队列
private Node addWaiter(Node mode) {// 1. 将当前线程跟Node关联起来方便AQS根据队列顺序唤醒获取锁Node node new Node(Thread.currentThread(), mode);// Try the fast path of enq; backup to full enq on failureNode pred tail;// 2. 追加新建节点到双向链表尾if (pred ! null) {node.prev pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next node;return node;}}// 3. 初始化链表enq(node);return node;
}private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t tail;if (t null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))tail head;} else {node.prev t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next node;return t;}}}
}acquireQueued方法剖析
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed true;try {boolean interrupted false;for (;;) {// 1. 获得当前Node的前驱节点也就是当前任务的前一个任务final Node p node.predecessor();// 2. 如果前一个任务是head则尝试通过CAS来获取锁if (p head tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next null; // help GCfailed false;return interrupted;}//3. 通过UNSAGE.park来阻塞当前线程来等待许可if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) parkAndCheckInterrupt())interrupted true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}小结 通过这小节我们可以看到AQS是如何通过模板方法设计模式大大简化了同步器/锁开发的
可重入设计
ReentrantLock是可重入锁的典型设计在这里就基于它进行分析
ReentrantLock的锁是组合设计通过内部类Sync、NonfairSync和FairSync来实现 这里看看非公平锁NonfairSync的实现
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current Thread.currentThread();int c getState();//1. 如果当前锁空闲则获取锁并设置锁的Owner为当前线程if (c 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}// 2. 如果当前锁已经被获取则判断锁的Owner是否是当前线程else if (current getExclusiveOwnerThread()) {int nextc c acquires;if (nextc 0) // overflowthrow new Error(Maximum lock count exceeded);setState(nextc);return true;}return false;
}protected final boolean tryRelease(int releases) {// 1. 进行锁释放时对state进行减法由于加锁和释放锁的操作都是配对出现的。那么重入2次时状态为3那么释放锁的时候也会释放3次直到状态state为0时才释放锁int c getState() - releases;if (Thread.currentThread() ! getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free false;if (c 0) {free true;// 2. 释放锁的时候先将锁的Owner置空setExclusiveOwnerThread(null);}// 3. 释放锁setState(c);return free;
}锁Owner实现 AQS的锁Owner是通过继承父类AbstractOwnableSynchronizer来实现的 AbstractOwnableSynchronizer只有一个成员属性exclusiveOwnerThread用来标识独占锁场景下是哪个线程持有锁方便可重入判断
public abstract class AbstractOwnableSynchronizerimplements java.io.Serializable {private transient Thread exclusiveOwnerThread;protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {exclusiveOwnerThread thread;}protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {return exclusiveOwnerThread;}
}小结 通过分析我们可以看到AQS的可重入设计是通过父类AbstractOwnableSynchronizervolatile修饰的state作为计数器来实现的
CLH队列设计
当共享资源被占用时就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配机制AQS通过CLH队列来实现 CLH队列保证了锁可以高效进行分配避免了无意义的唤醒阻塞未获得锁线程
CLH的入口在于AQS的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))方法它是一个虚拟的双向链表addWaiter会将请求锁的线程封装成Node节点Node节点中通过存储前后序节点来维护双向队列
源码剖析
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed true;try {boolean interrupted false;for (;;) {// 1. 获取前序节点final Node p node.predecessor();if (p head tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next null; // help GCfailed false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) parkAndCheckInterrupt())interrupted true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {int ws pred.waitStatus;if (ws Node.SIGNAL)return true;// 将当前节点所有直接前驱节点从CLH队列中移除if (ws 0) {do {node.prev pred pred.prev;} while (pred.waitStatus 0);pred.next node;} else {compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;
}private final boolean parkAndCheckInterrupt() {//请求锁的线程加入CLH队列中通过调用LockSupport、UNSAFE来进行线程的阻塞直至CLH链表中上一个节点释放锁后才会主动唤醒LockSupport.park(this);return Thread.interrupted();
}LockSupport源码实现
public static void park(Object blocker) {Thread t Thread.currentThread();// 这是做什么用的setBlocker(t, blocker);// 最终调用UNSAFE来执行UNSAFE.park(false, 0L);setBlocker(t, null);
}// 在UNSAFE中显示这是个本地方法是由C来实现的
public native void park(boolean var1, long var2);// C通过给当前线程添加一个互斥量0每次该线程获得CPU时间片都会判断该互斥量为0则将当前线程切换为阻塞状态
// 直到其他线程通过unpark来将此互斥量修改为1该方法才会继续往下执行小结 CLH队列给AQS维护了一个高效率的锁分配/释放的基础
公平/非公平锁设计
JDK中公平锁和非公平锁的具体实现分别是FairSync和NonfairSync FairSync的获取锁流程
NonfairSync的获取锁流程
小结 通过分析可看到公平锁和非公平锁的获取锁/释放锁逻辑几乎一致这都要归功于AQS的模板方法设计模式 两者不同的地方在于获取公平锁的请求会直接加入到CLH队列中等待锁获取非公平锁的请求都会尝试直接获取锁获取失败再加入CLH队列进行等待 非公平锁的性能相对而言更好一般也是首选但是会存在锁饥饿的现象公平锁可以有效解决锁饥饿的问题但性能相对而言会差一些
总结
在AQS中可以看到不少优秀的设计这都要归功于Doug Lea老爷子除了AQS在juc里还有很多优秀的设计如并发性能最好的字典ConcurrentHashMap、无锁高性能队列ConcurrentLinkedQueue等等 在品完源码后你会发现其设计思想丝毫不逊色于各个大数据组件“曾经想征服全世界到最后回头才发现这世界点点滴滴全部都是你” ——致JDK
