Java高级面试必问:AQS 到底是什么?

Wesley13
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前言

JDK1.5以前只有synchronized同步锁,并且效率非常低,因此大神Doug Lea自己写了一套并发框架,这套框架的核心就在于AbstractQueuedSynchronizer类(即AQS),性能非常高,所以被引入JDK包中,即JUC。那么AQS是怎么实现的呢?本篇就是对AQS及其相关组件进行分析,了解其原理,并领略大神的优美而又精简的代码。

AbstractQueuedSynchronizer

AQS是JUC下最核心的类,没有之一,所以我们先来分析一下这个类的数据结构。
Java高级面试必问:AQS 到底是什么?

AQS内部是使用了双向链表将等待线程链接起来,当发生并发竞争的时候,就会初始化该队列并让线程进入睡眠等待唤醒,同时每个节点会根据是否为共享锁标记状态为共享模式或独占模式。这个数据结构需要好好理解并牢牢记住,下面分析的组件都将基于此实现。

Lock

Lock是一个接口,提供了加/解锁的通用API,JUC主要提供了两种锁,ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,前者是重入锁,实现Lock接口,后者是读写锁,本身并没有实现Lock接口,而是其内部类ReadLock或WriteLock实现了Lock接口。先来看看Lock都提供了哪些接口:

// 普通加锁,不可打断;未获取到锁进入AQS阻塞void lock();// 可打断锁void lockInterruptibly() throws InterruptedException;// 尝试加锁,未获取到锁不阻塞,返回标识boolean tryLock();// 带超时时间的尝试加锁boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;// 解锁void unlock();// 创建一个条件队列Condition newCondition();

看到这里读者们可以先思考下,自己如何来实现上面这些接口。

ReentrantLock

加锁

synchronized和ReentrantLock都是可重入的,后者使用更加灵活,也提供了更多的高级特性,但其本质的实现原理是差不多的(据说synchronized是借鉴了ReentrantLock的实现原理)。ReentrantLock提供了两个构造方法:

public ReentrantLock() {        sync = new NonfairSync();    }    public ReentrantLock(boolean fair) {        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();    }

有参构造是根据参数创建公平锁或非公平锁,而无参构造默认则是非公平锁,因为非公平锁性能非常高,并且大部分业务并不需要使用公平锁。至于为什么非公平锁性能很高,咱们接着往下看。

非公平锁/公平锁

lock

非公平锁和公平锁在实现上基本一致,只有个别的地方不同,因此下面会采用对比分析方法进行分析。
从lock方法开始:

public void lock() {        sync.lock();    }

实际上是委托给了内部类Sync,该类实现了AQS(其它组件实现方法也基本上都是这个套路);由于有公平和非公平两种模式,因此该类又实现了两个子类:FairSync和NonfairSync:

// 非公平锁    final void lock() {        if (compareAndSetState(0, 1))            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());        else            acquire(1);    } // 公平锁    final void lock() {       acquire(1);    }

这里就是公平锁和非公平锁的第一个不同,非公平锁首先会调用CAS将state从0改为1,如果能改成功则表示获取到锁,直接将exclusiveOwnerThread设置为当前线程,不用再进行后续操作;否则则同公平锁一样调用acquire方法获取锁,这个是在AQS中实现的模板方法:

public final void acquire(int arg) {        if (!tryAcquire(arg) &&            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))            selfInterrupt();    }

tryAcquire

这里两种锁唯一不同的实现就是tryAcquire方法,先来看非公平锁的实现:

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {        return nonfairTryAcquire(acquires);    }    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {        final Thread current = Thread.currentThread();        int c = getState();        if (c == 0) {            if (compareAndSetState(0, acquires)) {                setExclusiveOwnerThread(current);                return true;            }        }        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {            int nextc = c + acquires;            if (nextc < 0) // overflow                throw new Error("Maximum lock count exceeded");            setState(nextc);            return true;        }        return false;    }

state=0表示还没有被线程持有锁,直接通过CAS修改,能修改成功的就获取到锁,修改失败的线程先判断exclusiveOwnerThread是不是当前线程,是则state+1,表示重入次数+1并返回true,加锁成功,否则则返回false表示尝试加锁失败并调用acquireQueued入队。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {        final Thread current = Thread.currentThread();        int c = getState();        if (c == 0) {            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;    }    public final boolean hasQueuedPredecessors() {        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order        Node h = head;        Node s;        // 首尾不相等且头结点线程不是当前线程则表示需要进入队列        return h != t &&            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());    }

上面就是公平锁的尝试获取锁的代码,可以看到基本和非公平锁的代码是一样的,区别在于首次加锁需要判断是否已经有队列存在,没有才去加锁,有则直接返回false。

addWaiter

接着来看addWaiter方法,当尝试加锁失败时,首先就会调用该方法创建一个Node节点并添加到队列中去。

private Node addWaiter(Node mode) {        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);        Node pred = tail;        // 尾节点不为null表示已经存在队列,直接将当前线程作为尾节点        if (pred != null) {            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {                pred.next = node;                return node;            }        }        // 尾结点不存在则表示还没有初始化队列,需要初始化队列        enq(node);        return node;    }    private Node enq(final Node node) { // 自旋        for (;;) {            Node t = tail;            if (t == null) { // 只会有一个线程设置头节点成功                 if (compareAndSetHead(new Node()))                    tail = head;            } else { // 其它设置头节点失败的都会自旋设置尾节点                node.prev = t;                if (compareAndSetTail(t, node)) {                    t.next = node;                    return t;                }            }        }    }

这里首先传入了一个独占模式的空节点,并根据该节点和当前线程创建了一个Node,然后判断是否已经存在队列,若存在则直接入队,否则调用enq方法初始化队列,提高效率。
此处还有一个非常细节的地方,为什么设置尾节点时都要先将之前的尾节点设置为node.pre的值呢,而不是在CAS之后再设置?比如像下面这样:

if (compareAndSetTail(pred, node)) {    node.prev = pred;    pred.next = node;    return node;}

因为如果这样做的话,在CAS设置完tail后会存在一瞬间的tail.pre=null的情况,而Doug Lea正是考虑到这种情况,不论何时获取tail.pre都不会为null。

acquireQueued

接着看acquireQueued方法:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {        // 为true表示存在需要取消加锁的节点,仅从这段代码可以看出,        // 除非发生异常,否则不会存在需要取消加锁的节点。        boolean failed = true;        try {         // 打断标记,因为调用的是lock方法,所以是不可打断的         // (但实际上是打断了的,只不过这里采用了一种**静默**处理方式,稍后分析)            boolean interrupted = false;            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                if (p == head && tryAcquire(arg)) {                    setHead(node);                    p.next = null; // help GC                    failed = 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;                    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() {        LockSupport.park(this);        return Thread.interrupted();    }

这里就是队列中线程加锁/睡眠的核心逻辑,首先判断刚刚调用addWaiter方法添加到队列的节点是否是头节点,如果是则再次尝试加锁,这个刚刚分析过了,非公平锁在这里就会再次抢一次锁,抢锁成功则设置为head节点并返回打断标记;否则则和公平锁一样调用shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该调用park方法进入睡眠。

park细节

为什么在park前需要这么一个判断呢?因为当前节点的线程进入park后只能被前一个节点唤醒,那前一个节点怎么知道有没有后继节点需要唤醒呢?因此当前节点在park前需要给前一个节点设置一个标识,即将waitStatus设置为Node.SIGNAL(-1),然后自旋一次再走一遍刚刚的流程,若还是没有获取到锁,则调用parkAndCheckInterrupt进入睡眠状态。

打断

读者可能会比较好奇Thread.interrupted这个方法是做什么用的。

public static boolean interrupted() {        return currentThread().isInterrupted(true);    }

这个是用来判断当前线程是否被打断过,并清除打断标记(若是被打断过则会返回true,并将打断标记设置为false),所以调用lock方法时,通过interrupt也是会打断睡眠的线程的,只是Doug Lea做了一个假象,让用户无感知;但有些场景又需要知道该线程是否被打断过,所以acquireQueued最终会返回interrupted打断标记,如果是被打断过,则返回的true,并在acquire方法中调用selfInterrupt再次打断当前线程(将打断标记设置为true)。
这里我们对比看看lockInterruptibly的实现:

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {        sync.acquireInterruptibly(1);    }    public final void acquireInterruptibly(int arg)            throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        if (!tryAcquire(arg))            doAcquireInterruptibly(arg);    }    private void doAcquireInterruptibly(int arg)        throws InterruptedException {        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);        boolean failed = true;        try {            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                if (p == head && tryAcquire(arg)) {                    setHead(node);                    p.next = null; // help GC                    failed = false;                    return;                }                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    throw new InterruptedException();            }        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);        }    }

可以看到区别就在于使用lockInterruptibly加锁被打断后,是直接抛出InterruptedException异常,我们可以捕获这个异常进行相应的处理。

取消

最后来看看cancelAcquire是如何取消加锁的,该情况比较特殊,简单了解下即可:

private void cancelAcquire(Node node) {        if (node == null)            return;        // 首先将线程置空        node.thread = null; // waitStatus > 0表示节点处于取消状态,则直接将当前节点的pre指向在此之前的最后一个有效节点        Node pred = node.prev;        while (pred.waitStatus > 0)            node.prev = pred = pred.prev; // 保存前一个节点的下一个节点,如果在此之前存在取消节点,这里就是之前取消被取消节点的头节点        Node predNext = pred.next;                node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 当前节点是tail节点,则替换尾节点,替换成功则将新的尾结点的下一个节点设置为null; // 否则需要判断是将当前节点的下一个节点赋值给最后一个有效节点,还是唤醒下一个节点。        if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {            compareAndSetNext(pred, predNext, null);        } else {            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 {                unparkSuccessor(node);            }            node.next = node; // help GC        }    }

解锁

public void unlock() {        sync.release(1);    }    public final boolean release(int arg) {        if (tryRelease(arg)) {            Node h = head;            if (h != null && h.waitStatus != 0)                unparkSuccessor(h);            return true;        }        return false;    }    protected final boolean tryRelease(int releases) {        int c = getState() - releases;        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())            throw new IllegalMonitorStateException();        boolean free = false;        if (c == 0) {            free = true;            setExclusiveOwnerThread(null);        }        setState(c);        return free;    }    private void unparkSuccessor(Node node) {        int ws = node.waitStatus;        if (ws < 0)            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);        Node s = node.next;        // 并发情况下,可能已经被其它线程唤醒或已经取消,则从后向前找到最后一个有效节点并唤醒        if (s == null || s.waitStatus > 0) {            s = null;            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)                if (t.waitStatus <= 0)                    s = t;        }        if (s != null)            LockSupport.unpark(s.thread);    }

解锁就比较简单了,先调用tryRelease对state执行减一操作,如果state==0,则表示完全释放锁;若果存在后继节点,则调用unparkSuccessor唤醒后继节点,唤醒后的节点的waitStatus会重新被设置为0.
只是这里有一个小细节,为什么是从后向前找呢?因为我们在开始说过,设置尾节点保证了node.pre不会为null,但pre.next仍有可能是null,所以这里只能从后向前找到最后一个有效节点。

小结

Java高级面试必问:AQS 到底是什么?

上面是ReentrantLock的加锁流程,可以看到整个流程不算复杂,只是判断和跳转比较多,主要是Doug Lea将代码和性能都优化到了极致,代码非常精简,但细节却非常多。另外通过上面的分析,我们也可以发现,公平锁和非公平锁的区别就在于非公平锁不管是否有线程在排队,先抢三次锁,而公平锁则会判断是否存在队列,有线程在排队则直接进入队列排队;另外线程在park被唤醒后非公平锁还会抢锁,公平锁仍然需要排队,所以非公平锁的性能比公平锁高很多,大部分情况下我们使用非公平锁即可。

ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock是一把独占锁,只支持重入,不支持共享,所以JUC包下还提供了读写锁,这把锁支持读读并发,但读写、写写都是互斥的。
读写锁也是基于AQS实现的,也包含了一个继承自AQS的内部类Sync,同样也有公平和非公平两种模式,下面主要讨论非公平模式下的读写锁实现。
读写锁实现相对比较复杂,在ReentrantLock中就是使用的int型的state属性来表示锁被某个线程占有和重入次数,而ReentrantReadWriteLock分为了读和写两种锁,要怎么用一个字段表示两种锁的状态呢?Doug Lea大师将state字段分为了高二字节和低二字节,即高16位用来表示读锁状态,低16位则用来表示写锁,如下图:

Java高级面试必问:AQS 到底是什么?

因为读写锁状态都只用了两个字节,所以可重入的次数最多是65535,当然正常情况下重入是不可能达到这么多的。
那它是怎么实现的呢?还是先从构造方法开始:

public ReentrantReadWriteLock() {        this(false);    }    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();        readerLock = new ReadLock(this);        writerLock = new WriteLock(this);    }

同样默认就是非公平锁,同时还创建了readerLock和writerLock两个对象,我们只需要像下面这样就能获取到读写锁:

private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();    private static Lock r = lock.readLock();    private static Lock w = lock.writeLock();

写锁

由于写锁的加锁过程相对更简单,下面先从写锁加锁开始分析,入口在ReentrantReadWriteLock#WriteLock.lock()方法,点进去看,发现还是使用的AQS中的acquire方法:

public final void acquire(int arg) {        if (!tryAcquire(arg) &&            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))            selfInterrupt();    }

所以不同的地方也只有tryAcquire方法,我们重点分析这个方法就行:

static final int SHARED_SHIFT   = 16;    // 65535    static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;    // 低16位是1111....1111    static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 得到c低16位的值 static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {        Thread current = Thread.currentThread();        int c = getState();        // 获取写锁加锁和重入的次数        int w = exclusiveCount(c);        if (c != 0) { // 已经有线程持有锁         // 这里有两种情况:1. c!=0 && w==0表示有线程获取了读锁,不论是否是当前线程,直接返回false,         // 也就是说读-写锁是不支持升级重入的(但支持写-读降级),原因后文会详细分析;         // 2. c!=0 && w!=0 && current != getExclusiveOwnerThread()表示有其它线程持有了写锁,写写互斥            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())                return false; // 超出65535,抛异常            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)                throw new Error("Maximum lock count exceeded");            // 否则写锁的次数直接加1            setState(c + acquires);            return true;        } // c==0才会走到这,但这时存在两种情况,有队列和无队列,所以公平锁和非公平锁处理不同, // 前者需要判断是否存在队列,有则尝试加锁失败,无则加锁成功,而非公平锁直接使用CAS加锁即可        if (writerShouldBlock() ||            !compareAndSetState(c, c + acquires))            return false;        setExclusiveOwnerThread(current);        return true;    }

写锁尝试加锁的过程就分析完了,其余的部分上文已经讲过,这里不再赘述。

读锁

public void lock() {        sync.acquireShared(1);    }    public final void acquireShared(int arg) {        if (tryAcquireShared(arg) < 0)            doAcquireShared(arg);    }

读锁在加锁开始就和其它锁不同,调用的是acquireShared方法,意为获取共享锁。

static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);    // 右移16位得到读锁状态的值    static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }    protected final int tryAcquireShared(int unused) {         Thread current = Thread.currentThread();         int c = getState();         // 为什么读写互斥?因为读锁一上来就判断了是否有其它线程持有了写锁(当前线程持有写锁再获取读锁是可以的)         if (exclusiveCount(c) != 0 &&             getExclusiveOwnerThread() != current)             return -1;         int r = sharedCount(c);         // 公平锁判断是否存在队列,非公平锁判断第一个节点是不是EXCLUSIVE模式,是的话会返回true         // 返回false则需要判断读锁加锁次数是否超过65535,没有则使用CAS给读锁+1         if (!readerShouldBlock() &&             r < MAX_COUNT &&             compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {             if (r == 0) {             // 第一个读锁线程就是当前线程                 firstReader = current;                 firstReaderHoldCount = 1;             } else if (firstReader == current) {             // 记录读锁的重入                 firstReaderHoldCount++;             } else {             // 获取最后一次加读锁的重入次数记录器HoldCounter                 HoldCounter rh = cachedHoldCounter;                 if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))                 // 当前线程第一次重入需要初始化,以及当前线程和缓存的最后一次记录器的线程id不同,需要从ThreadLocalHoldCounter拿到对应的记录器                     cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();                 else if (rh.count == 0)                 // 缓存到ThreadLocal                     readHolds.set(rh);                 rh.count++;             }             return 1;         }         return fullTryAcquireShared(current);     }

这段代码有点复杂,首先需要保证读写互斥,然后进行初次加锁,若加锁失败就会调用fullTryAcquireShared方法进行兜底处理。在初次加锁中与写锁不同的是,写锁的state可以直接用来记录写锁的重入次数,因为写写互斥,但读锁是共享的,state用来记录读锁的加锁次数了,重入次数该怎么记录呢?重入是指同一线程,那么是不是可以使用ThreadLocl来保存呢?没错,Doug Lea就是这么处理的,新增了一个HoldCounter类,这个类只有线程id和重入次数两个字段,当线程重入的时候就会初始化这个类并保存在ThreadLocalHoldCounter类中,这个类就是继承ThreadLocl的,用来初始化HoldCounter对象并保存。
这里还有个小细节,为什么要使用cachedHoldCounter缓存最后一次加读锁的HoldCounter?因为大部分情况下,重入和释放锁的线程很有可能就是最后一次加锁的线程,所以这样做能够提高加解锁的效率,Doug Lea真是把性能优化到了极致。
上面只是初次加锁,有可能会加锁失败,就会进入到fullTryAcquireShared方法:

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {        HoldCounter rh = null;        for (;;) {            int c = getState();            if (exclusiveCount(c) != 0) {                if (getExclusiveOwnerThread() != current)                    return -1;            } else if (readerShouldBlock()) {                if (firstReader == current) {                    // assert firstReaderHoldCount > 0;                } else {                    if (rh == null) {                        rh = cachedHoldCounter;                        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {                            rh = readHolds.get();                            if (rh.count == 0)                                readHolds.remove();                        }                    }                    if (rh.count == 0)                        return -1;                }            }            if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)                throw new Error("Maximum lock count exceeded");            if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {                if (sharedCount(c) == 0) {                    firstReader = current;                    firstReaderHoldCount = 1;                } else if (firstReader == current) {                    firstReaderHoldCount++;                } else {                    if (rh == null)                        rh = cachedHoldCounter;                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))                        rh = readHolds.get();                    else if (rh.count == 0)                        readHolds.set(rh);                    rh.count++;                    cachedHoldCounter = rh; // cache for release                }                return 1;            }        }    }

这个方法中代码和tryAcquireShared基本上一致,只是采用了自旋的方式,处理初次加锁中的漏网之鱼,读者们可自行阅读分析。
上面两个方法若返回大于0则表示加锁成功,小于0则会调用doAcquireShared方法,这个就和之前分析的acquireQueued差不多了:

private void doAcquireShared(int arg) {        // 先添加一个SHARED类型的节点到队列        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);        boolean failed = true;        try {            boolean interrupted = false;            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                if (p == head) {                 // 再次尝试加读锁                    int r = tryAcquireShared(arg);                    if (r >= 0) {                     // 设置head节点以及传播唤醒后面的读线程                        setHeadAndPropagate(node, r);                        p.next = null; // help GC                        if (interrupted)                            selfInterrupt();                        failed = false;                        return;                    }                }                // 只有前一个节点的waitStatus=-1时才会park,=0或者-3(先不考虑-2和1的情况)都会设置为-1后再次自旋尝试加锁,若还是加锁失败就会park                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    interrupted = true;            }        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);        }    }    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {     // 设置头节点        Node h = head; // Record old head for check below        setHead(node);                // propagate是tryAcquireShared的返回值,当前线程加锁成功还要去唤醒后继的共享节点        // (其余的判断比较复杂,笔者也还未想明白,知道的读者可以指点一下)        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {            Node s = node.next;            // 判断后继节点是否是共享节点            if (s == null || s.isShared())                doReleaseShared();        }    }    private void doReleaseShared() {        for (;;) {            Node h = head;            // 存在后继节点            if (h != null && h != tail) {                int ws = h.waitStatus;                if (ws == Node.SIGNAL) {                 // 当前一个节点加锁成功后自然需要将-1改回0,并唤醒后继线程,同时自旋将0改为-2让唤醒传播下去                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))                        continue;                            unparkSuccessor(h);                }                // 设置头节点的waitStatus=-2,使得唤醒可以传播下去                else if (ws == 0 &&                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))                    continue;                         }            if (h == head)                          break;        }    }    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {        int ws = pred.waitStatus;        if (ws == Node.SIGNAL)            return true;        if (ws > 0) {            do {                node.prev = pred = pred.prev;            } while (pred.waitStatus > 0);            pred.next = node;        } else {            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);        }        return false;    }

这里的逻辑也非常的绕,当多个线程同时调用addWaiter添加到队列中后,并且假设这些节点的第一个节点的前一个节点就是head节点,那么第一个节点就能加锁成功(假设都是SHARED节点),其余的节点在第一个节点设置头节点之前都会进入shouldParkAfterFailedAcquire方法,这时候waitStatus都等于0,所以继续自旋不会park,若再次加锁还失败就会park(因为这时候waitStatus=-1),但都是读线程的情况下一般都不会出现,因为setHeadAndPropagate第一步就是修改head,所以其余SHARED节点最终都能加锁成功并一直将唤醒传播下去。
以上就是读写锁加锁过程,解锁比较简单,这里就不详细分析了。

小结

读写锁将state分为了高二字节和低二字节,分别存储读锁和写锁的状态,实现更为的复杂,在使用上还有几点需要注意:

  • 读读共享,但是在读中间穿插了写的话,后面的读都会被阻塞,直到前面的写释放锁后,后面的读才会共享,相关原理看完前文不难理解。

  • 读写锁只支持降级重入,不支持升级重入。因为如果支持升级重入的话,是会出现死锁的。如下面这段代码:

    private static void rw() {        r.lock();        try {            log.info("获取到读锁");            w.lock();            try {                log.info("获取到写锁");            } finally {                w.unlock();            }        } finally {            r.unlock();        }    }

多个线程访问都能获取到读锁,但读写互斥,彼此都要等待对方的读锁释放才能获取到写锁,这就造成了死锁。
ReentrantReadWriteLock在某些场景下性能上不算高,因此Doug Lea在JDK1.8的时候又提供了一把高性能的读写锁StampedLock,前者读写锁都是悲观锁,而后者提供了新的模式——乐观锁,但它不是基于AQS实现的,本文不进行分析。

Condition

Lock接口中还有一个方法newCondition,这个方法就是创建一个条件队列:

public Condition newCondition() {        return sync.newCondition();    }    final ConditionObject newCondition() {        return new ConditionObject();    }

所谓条件队列就是创建一个新的ConditionObject对象,这个对象的数据结构在开篇就看过了,包含首、尾两个节点字段,每当调用Condition#await方法时就会在对应的Condition对象中排队等待:

public final void await() throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        // 加入条件队列        Node node = addConditionWaiter();        // 因为Condition.await必须配合Lock.lock使用,所以await时就是将已获得锁的线程全部释放掉        int savedState = fullyRelease(node);        int interruptMode = 0;        // 判断是在同步队列还是条件队列,后者则直接park        while (!isOnSyncQueue(node)) {            LockSupport.park(this);            // 获取打断处理方式(抛出异常或重设标记)            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)                break;        }        // 调用aqs的方法        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)            interruptMode = REINTERRUPT;        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled         // 清除掉已经进入同步队列的节点            unlinkCancelledWaiters();        if (interruptMode != 0)            reportInterruptAfterWait(interruptMode);    }    private Node addConditionWaiter() {        Node t = lastWaiter;        // 清除状态为取消的节点        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {            unlinkCancelledWaiters();            t = lastWaiter;        } // 创建一个CONDITION状态的节点并添加到队列末尾        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);        if (t == null)            firstWaiter = node;        else            t.nextWaiter = node;        lastWaiter = node;        return node;    }

await方法实现比较简单,大部分代码都是上文分析过的,这里不再重复。接着来看signal方法:

public final void signal() {        if (!isHeldExclusively())            throw new IllegalMonitorStateException();        // 从条件队列第一个节点开始唤醒        Node first = firstWaiter;        if (first != null)            doSignal(first);    }    private void doSignal(Node first) {        do {            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)                lastWaiter = null;            first.nextWaiter = null;        } while (!transferForSignal(first) &&                 (first = firstWaiter) != null);    }    final boolean transferForSignal(Node node) {     // 修改waitStatus状态,如果修改失败,则说明该节点已经从条件队列转移到了同步队列        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))            return false; // 上面修改成功,则将该节点添加到同步队列末尾,并返回之前的尾结点        Node p = enq(node);        int ws = p.waitStatus;        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))         // unpark当前线程,结合await方法看            LockSupport.unpark(node.thread);        return true;    }

signal的逻辑也比较简单,就是唤醒条件队列中的第一个节点,主要是要结合await的代码一起理解。

其它组件

上文分析的锁都是用来实现并发安全控制的,而对于多线程协作JUC又基于AQS提供了CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等组件,下面一一分析。

CountDownLatch

CountDownLatch在创建的时候就需要指定一个计数:

CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);

然后在需要等待的地方调用countDownLatch.await()方法,然后在其它线程完成任务后调用countDownLatch.countDown()方法,每调用一次该计数就会减一,直到计数为0时,await的地方就会自动唤醒,继续后面的工作,所以CountDownLatch适用于一个线程等待多个线程的场景,那它是怎么实现的呢?读者们可以结合上文自己先思考下。

public CountDownLatch(int count) {        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");        this.sync = new Sync(count);    }    Sync(int count) {        setState(count);    }

与前面讲的锁一样,也有一个内部类Sync继承自AQS,并且在构造时就将传入的计数设置到了state属性,看到这里不难猜到CountDownLatch的实现原理了。

public void await() throws InterruptedException {        sync.acquireSharedInterruptibly(1);    }    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)            throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        if (tryAcquireShared(arg) < 0)            doAcquireSharedInterruptibly(arg);    }    protected int tryAcquireShared(int acquires) {        return (getState() == 0) ? 1 : -1;    }

在await方法中使用的是可打断的方式获取的共享锁,同样除了tryAcquireShared方法,其余的都是复用的之前分析过的代码,而tryAcquireShared就是判断state是否等于0,不等于就阻塞。

public void countDown() {        sync.releaseShared(1);    }    public final boolean releaseShared(int arg) {        if (tryReleaseShared(arg)) {            doReleaseShared();            return true;        }        return false;    }        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {        for (;;) {            int c = getState();            if (c == 0)                return false;            int nextc = c-1;            if (compareAndSetState(c, nextc))                return nextc == 0;        }    }

而调用countDown就更简单了,每次对state递减,直到为0时才会调用doReleaseShared释放阻塞的线程。
最后需要注意的是CountDownLatch的计数是不支持重置的,每次使用都要新建一个。

CyclicBarrier

CyclicBarrier和CountDownLatch使用差不多,不过它只有await方法。CyclicBarrier在创建时同样需要指定一个计数,当调用await的次数达到计数时,所有线程就会同时唤醒,相当于设置了一个“起跑线”,需要等所有运动员都到达这个“起跑线”后才能一起开跑。另外它还支持重置计数,提供了reset方法。

public CyclicBarrier(int parties) {        this(parties, null);    }    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();        this.parties = parties;        this.count = parties;        this.barrierCommand = barrierAction;    }

CyclicBarrier提供了两个构造方法,我们可以传入一个Runnable类型的回调函数,当达到计数时,由最后一个调用await的线程触发执行。

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {        try {            return dowait(false, 0L);        } catch (TimeoutException toe) {            throw new Error(toe); // cannot happen        }    }    private int dowait(boolean timed, long nanos)        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,               TimeoutException {        final ReentrantLock lock = this.lock;        lock.lock();        try {            final Generation g = generation;            if (g.broken)                throw new BrokenBarrierException(); // 是否打断,打断会唤醒所有条件队列中的线程            if (Thread.interrupted()) {                breakBarrier();                throw new InterruptedException();            } // 计数为0时,唤醒条件队列中的所有线程            int index = --count;            if (index == 0) {  // tripped                boolean ranAction = false;                try {                    final Runnable command = barrierCommand;                    if (command != null)                        command.run();                    ranAction = true;                    nextGeneration();                    return 0;                } finally {                    if (!ranAction)                        breakBarrier();                }            }            for (;;) {                try {                 // 不带超时时间直接进入条件队列等待                    if (!timed)                        trip.await();                    else if (nanos > 0L)                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);                } catch (InterruptedException ie) {                    if (g == generation && ! g.broken) {                        breakBarrier();                        throw ie;                    } else {                        Thread.currentThread().interrupt();                    }                }                if (g.broken)                    throw new BrokenBarrierException();                if (g != generation)                    return index;                if (timed && nanos <= 0L) {                    breakBarrier();                    throw new TimeoutException();                }            }        } finally {            lock.unlock();        }    }    private void nextGeneration() {        // signal completion of last generation        trip.signalAll();        // set up next generation        count = parties;        generation = new Generation();    }

这里逻辑比较清晰,就是使用了ReentrantLock以及Condition来实现。在构造方法中我们可以看到保存了两个变量count和parties,每次调用await都会对count变量递减,count不为0时都会进入到trip条件队列中等待,否则就会通过signalAll方法唤醒所有的线程,并将parties重新赋值给count。
reset方法很简单,这里不详细分析了。

Semaphore

Semaphore是信号的意思,或者说许可,可以用来控制最大并发量。初始定义好有几个信号,然后在需要获取信号的地方调用acquire方法,执行完成后,需要调用release方法回收信号。

public Semaphore(int permits) {        sync = new NonfairSync(permits);    }       public Semaphore(int permits, boolean fair) {        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);    }

它也有两个构造方法,可以指定公平或是非公平,而permits就是state的值。

public void acquire() throws InterruptedException {        sync.acquireSharedInterruptibly(1);    }    // 非公平方式    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {        for (;;) {            int available = getState();            int remaining = available - acquires;            if (remaining < 0 ||                compareAndSetState(available, remaining))                return remaining;        }    } // 公平方式    protected int tryAcquireShared(int acquires) {        for (;;) {            if (hasQueuedPredecessors())                return -1;            int available = getState();            int remaining = available - acquires;            if (remaining < 0 ||                compareAndSetState(available, remaining))                return remaining;        }    }

acquire方法和CountDownLatch是一样的,只是tryAcquireShared区分了公平和非公平方式。获取到信号相当于加共享锁成功,否则则进入队列阻塞等待;而release方法和读锁解锁方式也是一样的,只是每次release都会将state+1。

最后

感谢大家看到这里,文章有不足,欢迎大家指出;如果你觉得写得不错,那就给我一个赞吧。

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