我们常见的并发锁ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS实现的,所以说不懂AQS实现原理的,就不能说了解Java锁。
这篇文章一块看一下AQS具体源码实现。
先回顾一下AQS的加锁流程
AQS的加锁流程并不复杂,只要理解了同步队列和条件队列,以及它们之间的数据流转,就算彻底理解了AQS。
了解AQS加锁流程之后,再去看源码就容易理解了。
- // 继承自AbstractOwnableSynchronizer,为了记录哪个线程占用锁
- public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
-
- // 同步状态,0表示无锁,每次加锁+1,释放锁-1
- private volatile int state;
-
- // 同步队列的头尾节点
- private transient volatile Node head;
- private transient volatile Node tail;
-
- // Node节点,用来包装线程,放到队列中
- static final class Node {
- // 节点中的线程
- volatile Thread thread;
-
- // 节点状态
- volatile int waitStatus;
-
- // 同步队列的前驱节点和后继节点
- volatile Node prev;
- volatile Node next;
-
- // 条件队列的后继节点
- Node nextWaiter;
- }
-
- // 条件队列
- public class ConditionObject implements Condition {
- // 条件队列的头尾节点
- private transient Node firstWaiter;
- private transient Node lastWaiter;
- }
- }
- 复制代码
首先AQS继承自AbstractOwnableSynchronizer,其实是为了记录哪个线程正在占用锁。
- public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {
-
- private transient Thread exclusiveOwnerThread;
-
- // 设置占用锁的线程
- protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
- exclusiveOwnerThread = thread;
- }
-
- protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
- return exclusiveOwnerThread;
- }
- }
- 复制代码
无论是同步队列还是条件队列中线程都需要包装成Node节点。
虽然同步队列和条件队列都是由Node节点组成的,但是同步队列中是使用prev和next组成双向链表,nextWaiter只用来表示是共享模式还是排他模式。
条件队列没有使用到Node中prev和next属性,而是使用nextWaiter组成单链表。
这个复用对象的设计思想值得我们学习。
同步队列head节点是个哑节点,里面并没有存储线程对象。当然head节点也可以看成是给当前持有锁的线程使用的。
Node节点的状态(waitStatus)共有5种:
AQS支持独占和共享两种访问资源的模式(独占模式又叫排他模式)。
独占模式的方法:
- // 加锁
- acquire();
- // 加可中断的锁
- acquireInterruptibly();
- // 一段时间内,加锁不成功,就不加了
- tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
- // 释放锁
- release();
- 复制代码
共享模式的方法:
- // 加锁
- acquireShared();
- // 加可中断的锁
- acquireSharedInterruptibly();
- // 一段时间内,加锁不成功,就不加了
- tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
- // 释放锁
- releaseShared();
- 复制代码
独占模式和共享模式的方法并没有实现具体的加锁、释放锁逻辑,AQS中只是定义了加锁、释放锁的抽象方法。
留给子类实现的抽象方法:
- // 加独占锁
- protected boolean tryAcquire(int arg) {
- throw new UnsupportedOperationException();
- }
- // 释放独占锁
- protected boolean tryRelease(int arg) {
- throw new UnsupportedOperationException();
- }
-
- // 加共享锁
- protected int tryAcquireShared(int arg) {
- throw new UnsupportedOperationException();
- }
- // 释放共享锁
- protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
- throw new UnsupportedOperationException();
- }
-
- // 判断是否是当前线程正在持有锁
- protected boolean isHeldExclusively() {
- throw new UnsupportedOperationException();
- }
- 复制代码
这里就用到了设计模式中的模板模式,父类AQS定义了加锁、释放锁的流程,子类ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier负责实现具体的加锁、释放锁逻辑。
这不是个面试知识点吗?
面试官再问你,你看过哪些框架源码使用到了设计模式?
你就可以回答AQS源码中用到了模板模式,巴拉巴拉,妥妥的加分项!
整个加锁流程如下:
先看一下加锁方法的源码:
- // 加锁方法,传参是1
- public final void acquire(int arg) {
- // 1. 首先尝试获取锁,如果获取成功,则设置state+1,exclusiveOwnerThread=currentThread(留给子类实现)
- if (!tryAcquire(arg) &&
- // 2. 如果没有获取成功,把线程组装成Node节点,追加到同步队列末尾
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
- // 3. 加入同步队列后,将自己挂起
- selfInterrupt();
- }
- }
- 复制代码
再看一下addWaiter方法源码,作用就是把线程组装成Node节点,追加到同步队列末尾。
- // 追加到同步队列末尾,传参是共享模式or排他模式
- private Node addWaiter(Node mode) {
- // 1. 组装成Node节点
- Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
- Node pred = tail;
- if (pred != null) {
- node.prev = pred;
- // 2. 在多线程竞争不激烈的情况下,通过CAS方法追加到同步队列末尾
- if (compareAndSetTail(pred, node)) {
- pred.next = node;
- return node;
- }
- }
- // 3. 在多线程竞争激烈的情况下,使用死循环保证追加到同步队列末尾
- enq(node);
- return node;
- }
-
- // 创建Node节点,传参是线程,共享模式or排他模式
- Node(Thread thread, Node mode) {
- this.thread = thread;
- this.nextWaiter = mode;
- }
-
- // 通过死循环的方式,追加到同步队列末尾
- private Node enq(final Node node) {
- for (; ; ) {
- Node t = tail;
- if (t == null) {
- if (compareAndSetHead(new Node()))
- tail = head;
- } else {
- node.prev = t;
- if (compareAndSetTail(t, node)) {
- t.next = node;
- return t;
- }
- }
- }
- }
- 复制代码
再看一下addWaiter方法外层的acquireQueued方法,作用就是:
- // 追加到同步队列末尾后,再次尝试获取锁
- final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
- boolean failed = true;
- try {
- boolean interrupted = false;
- for (; ; ) {
- // 1. 找到前驱节点
- final Node p = node.predecessor();
- // 2. 如果前驱节点是头结点,就再次尝试获取锁
- if (p == head && tryAcquire(arg)) {
- // 3. 获取锁成功后,把自己设置为头节点
- setHead(node);
- p.next = null;
- failed = false;
- return interrupted;
- }
- // 4. 如果还是没有获取到锁,找到可以将自己唤醒的节点
- if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
- // 5. 最后才放心地将自己挂起
- parkAndCheckInterrupt())
- interrupted = true;
- }
- } finally {
- if (failed)
- cancelAcquire(node);
- }
- }
- 复制代码
再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法,是怎么找到将自己唤醒的节点的?为什么要找这个节点?
- // 加入同步队列后,找到能将自己唤醒的节点
- private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
- int ws = pred.waitStatus;
- // 1. 如果前驱节点的状态已经是SIGNAL状态(释放锁后,需要唤醒后继节点),就无需操作了
- if (ws == Node.SIGNAL)
- return true;
- // 2. 如果前驱节点的状态是已取消,就继续向前遍历
- if (ws > 0) {
- do {
- node.prev = pred = pred.prev;
- } while (pred.waitStatus > 0);
- pred.next = node;
- } else {
- // 3. 找到了不是取消状态的节点,把该节点状态设置成SIGNAL
- compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
- }
- return false;
- }
- 复制代码
从代码中可以很清楚的看到,目的就是为了找到不是取消状态的节点,并把该节点的状态设置成SIGNAL。
状态是SIGNAL的节点,释放锁后,需要唤醒其后继节点。
简单理解就是:小弟初来乍到,特意来知会老大一声,有好事,多通知小弟。
再看一下释放锁的逻辑。
释放锁的流程如下:
释放锁的代码逻辑比较简单:
- // 释放锁
- public final boolean release(int arg) {
- // 1. 先尝试释放锁,如果时候成功,则设置state-1,exclusiveOwnerThread=null(由子类实现)
- if (tryRelease(arg)) {
- Node h = head;
- // 2. 如果同步队列中还有其他节点,就唤醒下一个节点
- if (h != null && h.waitStatus != 0)
- // 3. 唤醒其后继节点
- unparkSuccessor(h);
- return true;
- }
- return false;
- }
- 复制代码
再看一下唤醒后继节点的方法
- // 唤醒后继节点
- private void unparkSuccessor(Node node) {
- int ws = node.waitStatus;
- // 1. 如果头节点不是取消状态,就重置成初始状态
- if (ws < 0)
- compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
-
- Node s = node.next;
- // 2. 如果后继节点是null或者是取消状态
- if (s == null || s.waitStatus > 0) {
- s = null;
- // 3. 从队尾开始遍历,找到一个有效状态的节点
- for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
- if (t.waitStatus <= 0)
- s = t;
- }
- // 3. 唤醒这个有效节点
- if (s != null)
- LockSupport.unpark(s.thread);
- }
- 复制代码
await等待的流程:
持有锁的线程可以调用await方法,作用是:释放锁,并追加到条件队列末尾。
- // 等待方法
- public final void await() throws InterruptedException {
- // 如果线程已中断,则中断
- if (Thread.interrupted())
- throw new InterruptedException();
- // 1. 追加到条件队列末尾
- Node node = addConditionWaiter();
- // 2. 释放锁
- int savedState = fullyRelease(node);
- int interruptMode = 0;
- // 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了,如果还在条件队列,就可以放心地挂起自己
- while (!isOnSyncQueue(node)) {
- LockSupport.park(this);
- if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
- break;
- }
- // 4. 如果已经转移到同步队列,就尝试获取锁
- if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
- interruptMode = REINTERRUPT;
- if (node.nextWaiter != null)
- // 5. 清除条件队列中已取消的节点
- unlinkCancelledWaiters();
- if (interruptMode != 0)
- reportInterruptAfterWait(interruptMode);
- }
- 复制代码
再看一下addConditionWaiter方法,是怎么追加到条件队列末尾的?
- // 追加到条件队列末尾
- private Node addConditionWaiter() {
- Node t = lastWaiter;
- // 1. 清除已取消的节点,找到有效节点
- if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
- unlinkCancelledWaiters();
- t = lastWaiter;
- }
- // 2. 创建Node节点,状态是-2(表示处于条件队列)
- Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
- // 3. 追加到条件队列末尾
- if (t == null)
- firstWaiter = node;
- else
- t.nextWaiter = node;
- lastWaiter = node;
- return node;
- }
- 复制代码
signal唤醒的流程:
唤醒条件队列的头节点,并追加到同步队列末尾。
- // 唤醒条件队列的头节点
- public final void signal() {
- // 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法
- if (!isHeldExclusively())
- throw new IllegalMonitorStateException();
- // 2. 找到条件队列的头节点
- Node first = firstWaiter;
- if (first != null)
- // 3. 开始唤醒
- doSignal(first);
- }
-
- // 实际的唤醒方法
- private void doSignal(Node first) {
- do {
- // 4. 从条件队列中移除头节点
- if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
- lastWaiter = null;
- first.nextWaiter = null;
- // 5. 使用死循环,一定要转移一个节点到同步队列
- } while (!transferForSignal(first) &&
- (first = firstWaiter) != null);
- }
- 复制代码
到底是怎么转移到同步队列末尾的?
- // 实际转移方法
- final boolean transferForSignal(Node node) {
- // 1. 把节点状态从CONDITION改成0
- if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
- return false;
-
- // 2. 使用死循环的方式,追加到同步队列末尾(前面已经讲过)
- Node p = enq(node);
- int ws = p.waitStatus;
- // 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL(通知他,别忘了唤醒老弟)
- if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
- LockSupport.unpark(node.thread);
- return true;
- }
- 复制代码
看完整个AQS的源码,是不是完全理解了AQS加锁、释放锁、以及同步队列和条件队列数据流转的逻辑了。
连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了,下篇带你一块学习ReentrantLock源码,应该就轻松多了。