• 重大发现,AQS加锁机制竟然跟Synchronized有惊人的相似


    在并发多线程的情况下,为了保证数据安全性,一般我们会对数据进行加锁,通常使用Synchronized或者ReentrantLock同步锁Synchronized是基于JVM实现,而ReentrantLock是基于Java代码层面实现的,底层是继承的AQS

    AQS全称 AbstractQueuedSynchronizer ,即抽象队列同步器,是一种用来构建锁和同步器的框架。

    我们常见的并发锁ReentrantLockCountDownLatchSemaphoreCyclicBarrier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。

    当我仔细研究AQS底层加锁原理,发现竟然跟Synchronized加锁原理有惊人的相似。让我突然想到一句名言,记不清怎么说了,意思是框架底层原理很相似,大家多学习底层原理。

    Synchronized的加锁流程在前几篇文章已经详细讲过,没看过一块再温习一下。

    1. Synchronized加锁流程

    我们先想一下Synchronized的加锁需求,如果让你设计Synchronized对象锁存储结构,该怎么设计?

    1. 多个线程执行到Synchronized代码块,只有一个线程获取锁,然后执行同步代码块(需要记录哪个线程获取了对象锁)。
    2. 其他线程被阻塞(被阻塞的线程,是不是可以用链表设计个阻塞队列?)
    3. 持有锁的线程调用wait方法,释放锁,等待被唤醒(等待的线程,是不是可以用链表设计个等待队列?)。
    4. 被阻塞的线程开始竞争锁
    5. 调用notify方法,唤醒等待的线程,被唤醒的线程进入阻塞队列,一块竞争锁。

    上面描述了Synchronized的加锁流程,Synchronized对象锁存储结构是不是跟咱们想的一样?实际就是的。

    下面是对象锁的存储数据结构(由C++实现):

    1. ObjectMonitor() {
    2. _header = NULL;
    3. _count = 0;
    4. _waiters = 0,
    5. _recursions = 0;
    6. _object = NULL;
    7. _owner = NULL; // 持有锁的线程
    8. _WaitSet = NULL; // 等待队列,存储处于wait状态的线程
    9. _WaitSetLock = 0 ;
    10. _Responsible = NULL ;
    11. _succ = NULL ;
    12. _cxq = NULL ;
    13. FreeNext = NULL ;
    14. _EntryList = NULL ; // 阻塞队列,存储处于等待锁block状态的线程
    15. _SpinFreq = 0 ;
    16. _SpinClock = 0 ;
    17. OwnerIsThread = 0 ;
    18. }
    19. 复制代码

    上图展示了对象锁的基本工作机制:

    1. 当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList队列中阻塞。

    2. 当某个线程获取到对象的对象锁后进入临界区域,并把对象锁中的 _owner变量设置为当前线程,即获得对象锁。

    3. 若持有对象锁的线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的对象锁,_owner变量恢复为null,同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。

    4. 在_WaitSet集合中的线程被唤醒,会被再次放到_EntryList队列中,重新竞争获取锁。

    5. 若当前线程执行完毕也将释放对象锁并复位变量的值,以便其他线程进入获取锁。

    Synchronized对象锁存储结构和加锁流程,竟然跟咱们想的一样。

    再看一下ReentrantLock的存储结构和加锁流程,有没有相似的地方。

    2. AQS加锁原理

    先分析一下,我们使用AQS的加锁需求:

    1. 多个线程执行到ReentrantLock.lock方法的时候,只有一个线程获取锁,然后执行同步代码块(需要记录哪个线程获取了对象锁)。
    2. 其他线程被阻塞(被阻塞的线程,是不是可以用链表设计个阻塞队列?名叫”同步队列“?)
    3. 持有锁的线程调用await方法,释放锁,等待被唤醒(等待的线程,是不是可以用链表设计个等待队列?名叫”条件队列“?)。
    4. 被阻塞的线程开始竞争锁
    5. 调用signal方法,唤醒等待的线程,被唤醒的线程进入阻塞队列,一块竞争锁。

    AQS的需求跟Synchronized一模一样。

    我们再看一下AQS实际的加锁机制是怎么设计的?是不是跟Synchronized相似?

    AQS的加锁流程并不复杂,只要理解了同步队列条件队列,以及它们之间的数据流转,就算彻底理解了AQS

    1. 当多个线程竞争AQS锁时,如果有个线程获取到锁,就把ower线程设置为自己
    2. 没有竞争到锁的线程,在同步队列中阻塞(同步队列采用双向连接,尾插法)。
    3. 持有锁的线程调用await方法,释放锁,追加到条件队列的末尾(条件队列采用单链条,尾插法)。
    4. 持有锁的线程调用signal方法,唤醒条件队列的头节点,并转移到同步队列的末尾。
    5. 同步队列的头节点优先获取到锁

    可以看到AQSSynchronized的加锁流程几乎是一模一样的,AQS中同步队列就是SynchronizedEntryListAQS中条件队列就是Synchronized中的waitSet,两个队列之间的数据转移流程也是一样的。

    3. 总结

    AQSSynchronized的加锁流程是一样的,都是通过同步队列和条件队列实现的,阻塞状态的线程被放到同步队列中,等待状态的线程被放到条件队列中,从条件队列唤醒的线程又被转移到同步队列末尾,一块竞争锁。

    看完AQS加锁流程,还没有人不懂AQS的?

    下篇文章再讲一下AQS加锁具体的源码实现。里面有很多精巧的设计,值得我们学习。

    比如:

    为什么同步队列要设计成双向链表?而条件队列要设计成单链表?

    为什么AQS加锁性能这么好(乐观锁CAS使用)?

    同步队列和条件队列中节点怎么用一个对象实现?

    释放锁后,怎么唤醒同步队列中线程?

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/m0_71777195/article/details/127442898