AQS在juc包中简直是基石般的存在,笔者会通过juc包中的ReentrantLock来讲解AQS的独占锁实现,通过Semaphore来讲解下AQS共享锁的实现。
本文力求用直白的结构图和详细的描述,让大家花最少的时间,便能够比较详细的了解AQS的流程。
所有未获取到锁的线程,都会进入AQS的等待队列,其实就是一个双向链表,如下图:
head节点是队列初始化的时候一个节点,只表示位置,不代表实际的等待线程。head节点之后的节点就是获取锁失败进入等待队列的线程。接下来,我们打开AQS源码,看下Node节点都有哪些关键内容:
static final class Node { /** 共享模式 */ static final Node SHARED = new Node(); /** 独占模式 */ static final Node EXCLUSIVE = null; /** 节点状态值,表示节点已经取消 */ static final int CANCELLED = 1; /** 节点状态值,在当前节点释放或者取消的时候,会唤醒下一个节点 */ static final int SIGNAL = -1; /** 此处可忽略,waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */ static final int CONDITION = -2; /** * 这个值是在共享锁的时候会用到,唤醒了一个节点,会尝试唤醒下一个节点, * 如果当前节点未阻塞(阻塞前就获得了锁),那么当前节点的状态会被设置成-3 */ static final int PROPAGATE = -3; //等待状态 volatile int waitStatus; //前驱节点 volatile Node prev; //后继节点 volatile Node next; //等待的线程 volatile Thread thread; //此处可忽略,主要是模式的判断 Node nextWaiter; }复制代码
我们再看下AQS的另外两个核心属性
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { //同步状态值(锁的数量) private volatile int state; //ps:继承自父类AbstractOwnableSynchronizer的属性,此处为了显示方便就拿过来了 //记录获得了锁的线程 private transient Thread exclusiveOwnerThread //上文中的Node节点 static final class Node { //...... } }复制代码
接下来,我们通过ReentrantLock的加锁和解锁流程,来看看线程是如何加入等待队列的,以及队列中每个节点的状态值是如何变化的。
我们先初略看下ReentrantLock的核心结构
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable { //继承自AQS abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { //..... } static final class NonfairSync extends Sync { // ..... 非公平锁 } static final class FairSync extends Sync { // ..... 公平锁 } }复制代码
可以看出, ReentrantLock主要是由内部类继承自AQS,并实现了非公平锁和公平锁。 我们看下加锁的流程(本处以非公平锁为例子,下文会单独提下公平锁的区别):
接下来,我们按照流程图的顺序,看下源码的实现细节(以非公平锁为例)
final void lock() { //尝试快速获取锁 if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //成功后记录获取锁的线程 else acquire(1); //走获取锁的常规流程 }复制代码
acquire()是AQS的模板方法,其中 tryAcquire()由子类自己实现,而addWaiter()和acquireQueued()都是固定的。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }复制代码
这里主要由3个步骤。1、调用ReentrantLock的tryAcquire()方法尝试获取锁。 2、如果失败,则调用addWaiter()方法,把当前线程加入AQS的等待队列。 3、之后调用acquireQueued()方法来自旋获取锁或者把当前节点的线程挂起。我们逐步看下这3步的实现。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { //非公平锁的实现 return nonfairTryAcquire(acquires); } final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); //状态值 if (c == 0) { //锁空闲 if (compareAndSetState(0, acquires)) { //尝试CAS快速抢占状态值 setExclusiveOwnerThread(current); //记录当前线程获取了锁 return true; } } //当前线程重入(同一线程需要重复执行加锁的方法,比如递归调用) else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; //状态值增加 if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); //设置状态值 return true; } return false; } 复制代码
如果第1步获取锁失败了,那么就需要加入等待队列。
private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); //新建一个节点(当前线程) // 首先会尝试用CAS把当前新节点快速加入到尾节点 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); //如果CAS失败了,则自旋+CAS添加到尾节点 return node; }复制代码
看下自旋加入队列操作
private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // 如果尾节点为null,则必须要先初始化head,tail节点 if (compareAndSetHead(new Node())) //新建一个节点(占位的作用) tail = head; //head和tail都指向第一个位置节点 } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { //通过CAS把当前线程节点加入到等待队列尾部 t.next = node; return t; } } } }复制代码
最后,需要调用acquireQueued()方法来做最后的操作
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; //是否取消节点 try { boolean interrupted = false; //是否中断线程 for (;;) { final Node p = node.predecessor(); //获取当前线程节点的前驱节点 if (p == head && tryAcquire(arg)) { //如果前驱节点是head节点,并且当前节点线程获取锁成功 setHead(node); //把当前节点设置为head节点(当前节点变成了位置标示的作用) p.next = null; // help GC ,这里去除原先的head节点的强引用,方便GC回收资源 failed = false; return interrupted; } //在自旋过程中,需要判断当前线程是否需要阻塞(正常情况下最多循环3次,而不是无限循环。当然前驱节点一直被取消除外) if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); //取消节点,相见下文 } }复制代码
先来看下AQS如何判断当前线程是否需要阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; //当前节点 的 前驱节点 的等待状态值 if (ws == Node.SIGNAL) //如果ws==-1,则当前节点等待前驱节点唤醒,自己可以放心的阻塞 return true; if (ws > 0) { //ws>0,那么前驱节点已经被取消了,那么从前驱节点往前找到waitStatus<=0的节点 do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; //设置为当前节点的前驱节点 } else { /* 到这里,前驱节点的ws只有0或者-3(PROPAGATE)两种情况,表明当前节点需要 * 等待信号唤醒,但是这里不是马上挂起,而是再循环一次,如果下一次还不能获取锁, * 那么就会挂起当前线程 */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }复制代码
如果需要阻塞,那么会执行下面方法
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); //调用LockSupport阻塞线程(再往下是UNSAFE,不再深入了) return Thread.interrupted(); //获取当前线程是否需要中断,同时清理中断标志 }复制代码
下面看下取消节点都做了什么
private void cancelAcquire(Node node) { // 节点为null,啥都不做 if (node == null) return; node.thread = null; //释放资源 // 前驱节点,如果已经取消的,则跳过 Node pred = node.prev; while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; // 前驱节点的后继节点 Node predNext = pred.next; // 当前节点ws设置为CANCELLED node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 如果当前节点是尾节点,先把前驱节点设置为tail节点,然后在移除当前节点 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null); } else { // 如果后继节点需要信号唤醒,那么就把后继节点链到前驱节点的后面;否则直接唤醒后继节点 int ws; if (pred != head && ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && pred.thread != null) { Node next = node.next; if (next != null && next.waitStatus <= 0) compareAndSetNext(pred, predNext, next); } else { //唤醒当前节点的下一个阻塞节点(释放锁的流程详细讲一下) unparkSuccessor(node); } node.next = node; // help GC } }复制代码
到这里,加锁的过程已经结束了。我们先来阶段性总结下等待队列中的节点等待状态ws的数值变化情况:
还有一种状态-3( PROPAGATE ),我们会在下篇讲解共享锁的时候提到。
上文我们是以非公平锁为例子讲解的,其实ReentrantLock的公平锁和非公平锁就一步的区别
static final class FairSync extends Sync { protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { //差别就是这个hasQueuedPredecessors()方法,如果前面有人排队了, //他就不插队了,乖乖进入等待队列 if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } }复制代码
下面我们看下释放锁的流程。
释放锁的过程,不管公平锁和非公平锁,都是一样的。我们先来看下流程图
释放锁的流程比较简单,我们快速过一下源码
//ReentrantLock.unlock() public void unlock() { sync.release(1); } //AQS的方法 public final boolean release(int arg) { //先尝试释放锁,成功则唤醒head节点的后继节点 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }复制代码
看下释放锁的过程
protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; //减去状态值 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { //如果状态值为0,那么重置持有锁的线程属性(重入锁释放后c仍可能大于0) free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; }复制代码
接着讲下上文一笔带过的唤醒后继节点线程的操作
private void unparkSuccessor(Node node) { //提醒下,这个方法是唤醒节点的后继节点 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) //当前节点如果小于0,设置为0 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * 尝试唤醒后继节点的阻塞线程,一般就是下一个节点 */ Node s = node.next; //获取后继节点 if (s == null || s.waitStatus > 0) { //如果下一个节点为null或者已经被取消 s = null; //那么需要从尾部节点开始往前找,找到最靠近当前节点的且ws<=0的节点,然后唤醒节点线程 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); //唤醒线程还是调用LockSupport来实现,底层是UNSAFE类 }复制代码
AQS的独占锁流程到这里就讲完了。其实只要大家先了解AQS的等待队列结构(还有另外两个核心属性state和持有锁的线程变量 exclusiveOwnerThread ),然后再把节点等待状态值(ws)的数值变化场景搞清楚,那么AQS就会变得简单直白。
本文有提到一个模版模式,对设计模式不了解的同学,可以看下设计模式。后续会出图解AQS系列(下),来讲解下AQS的共享锁实现。