Java并发编程解析 | 解析AQS基础同步器的设计与实现

本文用到的一些关键词语以及常用术语，主要如下：

• 信号量(Semaphore): 是在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用，也是作系统用来解决并发中的互斥和同步问题的一种方法。
• 信号量机制(Semaphores)： 用来解决同步/互斥的问题的，它是1965年,荷兰学者 Dijkstra提出了一种卓有成效的实现进程互斥与同步的方法。
• 管程(Monitor) : 一般是指管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让它们支持并发的一种机制。

基本概述

在Java领域中，我们可以将锁大致分为基于Java语法层面(关键词)实现的锁和基于JDK层面实现的锁。

在Java领域中, 尤其是在并发编程领域，对于多线程并发执行一直有两大核心问题：同步和互斥。其中：

• 互斥(Mutual Exclusion)：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。即就是同一时刻只允许一个线程访问共享资源的问题。
• 同步(Synchronization)：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。即就是线程之间如何通信、协作的问题。

针对对于这两大核心问题，利用管程是能够解决和实现的，因此可以说，管程是并发编程的万能钥匙。

虽然，Java在基于语法层面(synchronized 关键字)实现了对管程技术,但是从使用方式和性能上来说，内置锁(synchronized 关键字)的粒度相对过大，不支持超时和中断等问题。

为了弥补这些问题，从JDK层面对其“重复造轮子”，在JDK内部对其重新设计和定义，甚至实现了新的特性。

在Java领域中，从JDK源码分析来看，基于JDK层面实现的锁大致主要可以分为以下4种方式：

• 基于Lock接口实现的锁
• 基于ReadWriteLock接口实现的锁
• 基于AQS基础同步器实现的锁
• 基于自定义API操作实现的锁

从阅读源码不难发现，在Java SDK 并发包主要通过AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现多线程同步机制的封装与定义，而通过Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

一. 基本理论

在并发编程领域，有两大核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。

在操作系统中，一般有如果I/O操作时，对于阻塞和非阻塞是从函数调用角度来说的，其中：

• 阻塞：如果读写操作没有就绪或者完成，则函数一直等待。
• 非阻塞： 函数立即调用，然后让应用程序轮询循环。

而同步和异步则是从“读写是主要是由谁完成”的角度来说的，其中：

• 同步： 读写操作主要交给应用程序完成
• 异步： 读写操作主要由操作系统完成，一般完成之后，回调函数和事件通知应用程序。

其中，信号量机制(Semaphores)是用来解决同步/互斥的问题的，但是信号量(Semaphore)的操作分散在各个进程或线程中，不方便进行管理，因每次需调用P/V(来自荷兰语 proberen和 verhogen)操作，还可能导致死锁或破坏互斥请求的问题。

由于PV操作对于解决进程互斥/同步编程复杂，因而在此基础上提出了与信号量等价的——“管程技术”。

其中，管程(Monitor)当中定义了共享数据结构只能被管程内部定义的函数所修改，所以如果我们想修改管程内部的共享数据结构的话，只能调用管程内部提供的函数来间接的修改这些数据结构。

一般来说，管程(Monitor)和信号量(Semaphore)是等价的，所谓等价指的是用管程能够实现信号量，也能用信号量实现管程。

在管程的发展历程上，先后出现过Hasen模型、Hoare模型和MESA模型等三种不同的管程模型，现在正在广泛使用的是MESA模型。

在MESA模型中，管程中引入了条件变量(Conditional Variable)的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列(Wait Queue)。其中，条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

而对于解决线程之间的互斥问题，将共享变量(Shared Variable)及其对共享变量的操作统一封装起来，一般主要是实现一个线程安全的阻塞队列(Blocking Queue)，将线程不安全的队列封装起来，对外提供线程安全的操作方法，例如入队操作(Enqueue)和出队操作(Dequeue)。

在Java领域中，对于Java语法层面实现的锁(synchronized 关键字)， 其实就是参考了 MESA 模型，并且对 MESA 模型进行了精简，一般在MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程(synchronized)里只有一个条件变量。

这就意味着，被synchronized 关键字修饰的代码块或者直接标记静态方法以及实例方法，在编译期会自动生成相关加锁(lock)和解锁(unlock)的代码，即就是monitorenter和monitorexit指令。

对于synchronized 关键字来说，主要是在Java HotSpot(TM) VM 虚拟机通过Monitor(监视器)来实现monitorenter和monitorexit指令的。

同时，在Java HotSpot(TM) VM 虚拟机中，每个对象都会有一个监视器，监视器和对象一起创建、销毁。

监视器相当于一个用来监视这些线程进入的特殊房间，其义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的临界区代码块。

本质上，监视器是一种同步工具，也可以说是JVM对管程的同步机制的封装实现，主要特点是：

• 同步：监视器所保护的临界区代码是互斥地执行的。一个监视器是一个运行许可，任一线程进入临界区代码都需要获得这个许可，离开时把许可归还。
• 协作：监视器提供Signal机制，允许正持有许可的线程暂时放弃许可进入阻塞等待状态，等待其他线程发送Signal去唤醒；其他拥有许可的线程可以发送Signal，唤醒正在阻塞等待的线程，让它可以重新获得许可并启动执行。

在Hotspot虚拟机中，监视器是由C++类ObjectMonitor实现的，ObjectMonitor类定义在ObjectMonitor.hpp文件中，其中：

• Owner： 指向的线程即为获得锁的线程
• Cxq：竞争队列（Contention Queue），所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中
• EntryList：对象实体列表，表示Cxq中那些有资格成为候选资源的线程被移动到EntryList中。
• WaitSet：类似于等待队列，某个拥有ObjectMonitor的线程在调用Object.wait()方法之后将被阻塞，然后该线程将被放置在WaitSet链表中。

同时，管程与Java中面向对象原则(Object Oriented Principle)也是非常契合的，主要体现在 java.lang.Object类中wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法，其中：

• wait()方法： 阻塞线程并且进入等待队列
• notify()方法：随机地通知等待队列中的一个线程
• notifyAll()方法： 通知等待队列中的所有线程

不难发现，在Java中synchronized 关键字及 java.lang.Object类中wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法都是管程的组成部分。<