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前言
在java.util.concurrent.locks包中有很多Lock的实现类,常用的有ReentrantLock、ReadWriteLock(实现类ReentrantReadWriteLock),内部实现都依赖AbstractQueuedSynchronizer类,接下去让我们看看Doug Lea大神是如何使用一个普通类就完成了代码块的并发访问控制。为了方便,本文中使用AQS代替AbstractQueuedSynchronizer。
定义
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { //等待队列的头节点 private transient volatile Node head; //等待队列的尾节点 private transient volatile Node tail; //同步状态 private volatile int state; protected final int getState() { return state;} protected final void setState(int newState) { state = newState;} ... }
队列同步器AQS是用来构建锁或其他同步组件的基础框架,内部使用一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,其中内部状态state,等待队列的头节点head和尾节点head,都是通过volatile修饰,保证了多线程之间的可见。
在深入实现原理之前,我们先看看内部的FIFO队列是如何实现的。
static final class Node { static final Node SHARED = new Node(); static final Node EXCLUSIVE = null; static final int CANCELLED = 1; static final int SIGNAL = -1; static final int CONDITION = -2; static final int PROPAGATE = -3; volatile int waitStatus; volatile Node prev; volatile Node next; volatile Thread thread; Node nextWaiter; ... }
黄色节点是默认head节点,其实是一个空节点,我觉得可以理解成代表当前持有锁的线程,每当有线程竞争失败,都是插入到队列的尾节点,tail节点始终指向队列中的最后一个元素。
每个节点中, 除了存储了当前线程,前后节点的引用以外,还有一个waitStatus变量,用于描述节点当前的状态。多线程并发执行时,队列中会有多个节点存在,这个waitStatus其实代表对应线程的状态:有的线程可能获取锁因为某些原因放弃竞争;有的线程在等待满足条件,满足之后才能执行等等。一共有4中状态:
- CANCELLED 取消状态
- SIGNAL 等待触发状态
- CONDITION 等待条件状态
- PROPAGATE 状态需要向后传播
等待队列是FIFO先进先出,只有前一个节点的状态为SIGNAL时,当前节点的线程才能被挂起。
实现原理
子类重写tryAcquire和tryRelease方法通过CAS指令修改状态变量state。
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
线程获取锁过程
下列步骤中线程A和B进行竞争。
- 线程A执行CAS执行成功,state值被修改并返回true,线程A继续执行。
- 线程A执行CAS指令失败,说明线程B也在执行CAS指令且成功,这种情况下线程A会执行步骤3。
- 生成新Node节点node,并通过CAS指令插入到等待队列的队尾(同一时刻可能会有多个Node节点插入到等待队列中),如果tail节点为空,则将head节点指向一个空节点(代表线程B),具体实现如下:
private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; } private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
- node插入到队尾后,该线程不会立马挂起,会进行自旋操作。因为在node的插入过程,线程B(即之前没有阻塞的线程)可能已经执行完成,所以要判断该node的前一个节点pred是否为head节点(代表线程B),如果pred == head,表明当前节点是队列中第一个“有效的”节点,因此再次尝试tryAcquire获取锁,
1、如果成功获取到锁,表明线程B已经执行完成,线程A不需要挂起。
2、如果获取失败,表示线程B还未完成,至少还未修改state值。进行步骤5。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { 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); } }
- 前面我们已经说过只有前一个节点pred的线程状态为SIGNAL时,当前节点的线程才能被挂起。
1、如果pred的waitStatus == 0,则通过CAS指令修改waitStatus为Node.SIGNAL。
2、如果pred的waitStatus > 0,表明pred的线程状态CANCELLED,需从队列中删除。
3、如果pred的waitStatus为Node.SIGNAL,则通过LockSupport.park()方法把线程A挂起,并等待被唤醒,被唤醒后进入步骤6。
具体实现如下:
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; if (ws > 0) { /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we * need a signal, but don‘t park yet. Caller will need to * retry to make sure it cannot acquire before parking. */ compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
- 线程每次被唤醒时,都要进行中断检测,如果发现当前线程被中断,那么抛出InterruptedException并退出循环。从无限循环的代码可以看出,并不是被唤醒的线程一定能获得锁,必须调用tryAccquire重新竞争,因为锁是非公平的,有可能被新加入的线程获得,从而导致刚被唤醒的线程再次被阻塞,这个细节充分体现了“非公平”的精髓。
线程释放锁过程:
- 如果头结点head的waitStatus值为-1,则用CAS指令重置为0;
- 找到waitStatus值小于0的节点s,通过LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程。
private void unparkSuccessor(Node node) { /* * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this * fails or if status is changed by waiting thread. */ int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * Thread to unpark is held in successor, which is normally * just the next node. But if cancelled or apparently null, * traverse backwards from tail to find the actual * non-cancelled successor. */ Node s = node.next; 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); }
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