图解AQS系列(上)–独占锁

开场白

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。

一、AQS等待队列

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:

图解AQS系列(上)--独占锁

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。

二、独占锁–加锁(ReentrantLock.lock() )

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): 图解AQS系列(上)--独占锁

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:

  • 新建节点,ws==0
  • 取消节点,ws==1 (CANCELLED)
  • 进入等待队列后,有几率把ws设置为-1 (SIGNAL)   

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。

三、独占锁–释放锁(ReentrantLock.unlock() )

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

图解AQS系列(上)--独占锁

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

四、小结

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。

原文 

https://juejin.im/post/5bfcf9896fb9a049b7800e20

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