深入了解Java并发AQS的独占锁模式

2022-11-13 18:11:44 模式 并发 独占

概述

稍微对并发源码了解的朋友都知道,很多并发工具如ReentrantLock、CountdownLatch的实现都是依赖AQS, 全称AbstractQueuedSynchronizer。

AQS是一种提供了原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。一般来说,同步工具实现锁的控制分为独占锁和共享锁,而AQS提供了对这两种模式的支持。

独占锁: 也叫排他锁,即锁只能由一个线程获取,若一个线程获取了锁,则其他想要获取锁的线程只能等待,直到锁被释放。比如说写锁,对于写操作,每次只能由一个线程进行,若多个线程同时进行写操作,将很可能出现线程安全问题,比如jdk中的ReentrantLock。

共享锁: 锁可以由多个线程同时获取,锁被获取一次,则锁的计数器+1。比较典型的就是读锁,读操作并不会产生副作用,所以可以允许多个线程同时对数据进行读操作,而不会有线程安全问题,当然,前提是这个过程中没有线程在进行写操作,比如ReadWriteLock和CountdownLatch。

本文重点讲解下AQS对独占锁模式的支持。

自定义独占锁例子

首先我们自定义一个非常简单的独占锁同步器demo, 来了解下AQS的使用。

public class ExclusiveLock implements Lock {

    // 同步器,继承自AQS
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        // 重写获取锁的方式
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1;
            // cas的方式抢锁
            if(compareAndSetState(0, 1)) {
                // 设置抢占锁的线程为当前线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1;

            if (getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            };
            //设置抢占锁的线程为null
            setExclusiveOwnerThread(null);
            // 释放锁
            setState(0);
            return true;
        }
    }

    private final Sync sync = new Sync();

    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }
    
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }
}

这里是一个不可重入独占锁类,它使用值0表示未锁定状态,使用值1表示锁定状态。

验证:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExclusiveLock exclusiveLock = new ExclusiveLock();


        new Thread(() -> {
            try {
                exclusiveLock.lock();
                System.out.println("thread1 get lock");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                exclusiveLock.unlock();
                System.out.println("thread1 release lock");
            }

        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                exclusiveLock.lock();
                System.out.println("thread2 get lock");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                exclusiveLock.unlock();
                System.out.println("thread2 release lock");
            }

        }).start();

        Thread.currentThread().join();
    }

这样一个很简单的独占锁同步器就实现了,下面我们了解下它的核心机制。

核心原理机制

如果让你设计一个独占锁你要考虑哪些方面呢?

  • 线程如何表示抢占锁资源成功呢?是不是可以个状态state标记,state=1表示有线程持有锁,其他线程等待。
  • 其他抢锁失败的线程维护在哪里呢?是不是要引入一个队列维护获取锁失败的线程队列?
  • 那如何让线程实现阻塞呢?还记得LockSupport.park和unpark可以实现线程的阻塞和唤醒吗?

这些问题我们可以再AQS的数据结构和源码中统一找到答案。

AQS内部维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。

以上面个的例子为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用AQS的acquire方法,acquire会调用子类重写的tryAcquire()方法,通过cas的方式抢占锁。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,进入到CLH队列中,直到A线程unlock()即释放锁为止,即将state还原为0,其它线程才有机会获取该锁。

AQS作为一个抽象方法,提供了加锁、和释放锁的框架,这里采用的模板方模式,在上面中提到的tryAcquiretryRelease就是和独占模式相关的模板方法,其他的模板方法和共享锁模式或者Condition相关,本文不展开讨论。

方法名描述
protected boolean tryAcquire(int arg)独占方式。arg为获取锁的次数,尝试获取资源,成功则返回True,失败则返回False。
protected boolean tryRelease(int arg)独占方式。arg为释放锁的次数,尝试释放资源,成功则返回True,失败则返回False。

源码解析

上图是AQS的类结构图,其中标红部分是组成AQS的重要成员变量。

成员变量

state共享变量

AQS中里一个很重要的字段state,表示同步状态,是由volatile修饰的,用于展示当前临界资源的获锁情况。通过getState(),setState(),compareAndSetState()三个方法进行维护。

关于state的几个要点:

  • 使用volatile修饰,保证多线程间的可见性。
  • getState()、setState()、compareAndSetState()使用final修饰,限制子类不能对其重写。
  • compareAndSetState()采用乐观锁思想的CAS算法,保证原子性操作。

CLH队列(FIFO队列)

AQS里另一个重要的概念就是CLH队列,它是一个双向链表队列,其内部由head和tail分别记录头结点和尾结点,队列的元素类型是node

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

Node的结构如下:

static final class Node {
    //共享模式下的等待标记
    static final Node SHARED = new Node();
    //独占模式下的等待标记
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    //表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断(响应中断的情况下),会触发变更为此状态,进入该状态后的结点将不会再变化。
    static final int CANCELLED =  1;
    //表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时,会将前继结点的状态更新为SIGNAL。
    static final int SIGNAL    = -1;
    //表示结点等待在Condition上,当其他线程调用了Condition的signal()方法后,CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中,等待获取同步锁。
    static final int CONDITION = -2;
    //共享模式下,前继结点不仅会唤醒其后继结点,同时也可能会唤醒后继的后继结点。
    static final int PROPAGATE = -3;
    //状态,包括上面的四种状态值,初始值为0,一般是节点的初始状态
    volatile int waitStatus;
    //上一个节点的引用
    volatile Node prev;
    //下一个节点的引用
    volatile Node next;
    //保存在当前节点的线程引用
    volatile Thread thread;
    //condition队列的后续节点
    Node nextWaiter;
}

注意,waitSstatus负值表示结点处于有效等待状态,而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常。

exclusiveOwnerThread

AQS通过继承AbstractOwnableSynchronizer类,拥有的属性。表示独占模式下同步器持有的线程。

独占锁获取acquire(int)

acquire(int)是独占模式下线程获取共享资源的入口方法。

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

方法的整体流程如下:

  • tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回。
  • 如果失败则调用addWaiter()方法把当前线程包装成Node(状态为EXCLUSIVE,标记为独占模式)插入到CLH队列末尾。
  • acquireQueued()方法使线程阻塞在等待队列中获取资源,一直获取到资源后才返回,如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
  • 线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只有线程获取到资源后,acquireQueued返回true,响应中断。

tryAcquire(int)

此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功,则直接返回true,否则直接返回false。

//直接抛出异常,这是由子类进行实现的方法,体现了模板模式的思想
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

AQS只是一个框架,具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现,比如公平锁有公平锁的获取方式,非公平锁有非公平锁的获取方式。

addWaiter(Node)

此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾。

// 将线程封装成一个节点,放入同步队列的尾部
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 当前线程封装成同步队列的一个节点Node
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 这个节点需要插入到原尾节点的后面,所以我们在这里先记下原来的尾节点
    Node pred = tail;
    // 判断尾节点是否为空,若为空表示队列中还没有节点,则不执行以下步骤
    if (pred != null) {
        // 记录新节点的前一个节点为原尾节点
        node.prev = pred;
        // 将新节点设置为新尾节点,使用CAS操作保证了原子性
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            // 若设置成功,则让原来的尾节点的next指向新尾节点
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 若以上操作失败,则调用enq方法继续尝试(enq方法见下面)
    enq(node);
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    // 使用死循环不断尝试
    for (;;) {
        // 记录原尾节点
        Node t = tail;
        // 若原尾节点为空,则必须先初始化同步队列,初始化之后,下一次循环会将新节点加入队列
        if (t == null) { 
            // 使用CAS设置创建一个默认的节点作为首届点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                // 首尾指向同一个节点
                tail = head;
        } else {
            // 以下操作与addWaiter方法中的if语句块内一致
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

它的执行过程大致可以总结为:将新线程封装成一个节点,加入到同步队列的尾部,若同步队列为空,则先在其中加入一个默认的节点,再进行加入;若加入失败,则使用死循环(也叫自旋)不断尝试,直到成功为止。

acquireQueued(Node, int)

通过tryAcquire()和addWaiter(),该线程获取资源失败,已经被放入等待队列尾部了。接下来要干嘛呢?

进入等待状态休息,直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己,自己再拿到资源,然后就可以去干自己想干的事了。可以想象成医院排队拿号,在等待队列中排队拿号(中间没其它事干可以休息),直到拿到号后再返回。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    //标记是否成功拿到资源
    boolean failed = true;
    try {
        //标记等待过程中是否被中断过
        boolean interrupted = false;

        //“自旋”!
        for (;;) {
            //拿到前驱
            final Node p = node.predecessor();
            //如果前驱是head,即该结点已成老二,那么便有资格去尝试获取资源(可能是老大释放完资源唤醒自己的,当然也可能被interrupt了)。
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //拿到资源后,将head指向该结点。所以head所指的标杆结点,就是当前获取到资源的那个结点或null。
                setHead(node);
                // setHead中node.prev已置为null,此处再将head.next置为null,就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了!
                p.next = null; 
                 // 成功获取资源
                failed = false;
                //返回等待过程中是否被中断过
                return interrupted;
            }

            //如果自己可以休息了,就通过park()进入waiting状态,直到被unpark()。
            // 如果不可中断的情况下被中断了,那么会从park()中醒过来,发现拿不到资源,从而继续进入park()等待。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                //如果等待过程中被中断过,哪怕只有那么一次,就将interrupted标记为true
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
             // 如果等待过程中没有成功获取资源(如timeout,或者可中断的情况下被中断了),那么取消结点在队列中的等待。
            cancelAcquire(node);
    }
}

小结一下:让线程在同步队列中阻塞,直到它成为头节点的下一个节点,被头节点对应的线程唤醒,然后开始获取锁,若获取成功才会从方法中返回。这个方法会返回一个boolean值,表示这个正在同步队列中的线程是否被中断。

shouldParkAfterFailedAcquire()

此方法主要用于检查状态,看看自己是否真的可以去休息了。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    //拿到前驱的状态
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下,那就可以安心休息了
        return true;
    if (ws > 0) {
        
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
         //如果前驱正常,那就把前驱的状态设置成SIGNAL,告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败,人家说不定刚刚释放完呢!
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

整个流程中,如果前驱结点的状态不是SIGNAL,那么自己就不能安心去休息,需要去找个安心的休息点,同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

parkAndCheckInterrupt()

这个方法是真正实现线程阻塞,休息的地方。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 调用park()使线程进入waiting状态
    LockSupport.park(this);
    //调用park()使线程进入waiting状态
    return Thread.interrupted();
}

park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下,有两种途径可以唤醒该线程:1)被unpark();2)被interrupt()。

selfInterrupt()

static void selfInterrupt() {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }

中断线程,设置线程的中断位true。因为parkAndCheckInterrupt方法中的Thread.interrupted()会清楚中断标记,需要在selfInterrupt方法中将中断补上。

整个流程可以用下面一个图来说明。

独占锁释放release(int)

release(int)是独占模式下线程释放共享资源的入口。它会释放指定量的资源,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

public final boolean release(int arg) {
	// 上边自定义的tryRelease如果返回true,说明该锁没有被任何线程持有
	if (tryRelease(arg)) {
		// 获取头结点
		Node h = head;
		// 头结点不为空并且头结点的waitStatus不是初始化节点情况,解除线程挂起状态
		if (h != null && h.waitStatus != 0)
			unparkSuccessor(h);
		return true;
	}
	return false;
}

这里的判断条件为什么是h != null && h.waitStatus != 0?

  • h == null Head还没初始化。初始情况下,head == null,第一个节点入队,Head会被初始化一个虚拟节点。所以说,这里如果还没来得及入队,就会出现head == null 的情况。
  • h != null && waitStatus == 0 表明后继节点对应的线程仍在运行中,不需要唤醒。
  • h != null && waitStatus < 0 表明后继节点可能被阻塞了,需要唤醒。

tryRelease(int)

tryRelease是一个模板方法,由子类实现,定义释放锁的逻辑。

protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

因为这是独占模式,该线程来释放资源,那么它肯定已经拿到独占资源了,直接减掉相应量的资源即可(state-=arg),也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值,上面已经提到了,release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了!所以自义定同步器在实现时,如果已经彻底释放资源(state=0),要返回true,否则返回false。

unparkSuccessor(Node)

private void unparkSuccessor(Node node) {
	// 获取头结点waitStatus
	int ws = node.waitStatus;
	if (ws < 0)
		compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
	// 获取当前节点的下一个节点
	Node s = node.next;
	// 如果下个节点是null或者下个节点被cancelled,就找到队列最开始的非cancelled的节点
	if (s == null || s.waitStatus > 0) {
		s = null;
		// 就从尾部节点开始找,到队首,找到队列第一个waitStatus<0的节点。
		for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
			if (t.waitStatus <= 0)
				s = t;
	}
	// 如果当前节点的下个节点不为空,而且状态<=0,就把当前节点unpark
	if (s != null)
		LockSupport.unpark(s.thread);
}

为什么要从后往前找第一个非Cancelled的节点呢?

之前的addWaiter方法:

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;
}

我们从这里可以看到,节点入队并不是原子操作,也就是说,node.prev = pred; compareAndSetTail(pred, node) 这两个地方可以看作Tail入队的原子操作,但是此时pred.next = node;还没执行,如果这个时候执行了unparkSuccessor方法,就没办法从前往后找了,所以需要从后往前找。还有一点原因,在产生CANCELLED状态节点的时候,先断开的是Next指针,Prev指针并未断开,因此也是必须要从后往前遍历才能够遍历完全部的Node。

综上所述,如果是从前往后找,由于极端情况下入队的非原子操作和CANCELLED节点产生过程中断开Next指针的操作,可能会导致无法遍历所有的节点。所以,唤醒对应的线程后,对应的线程就会继续往下执行。

总结

本文主要讲解了AQS的独占模式,最关键的是acquire()和release这两个和独占息息相关的方法,同时通过一个自定义简单的demo帮助大家深入浅出的理解,其实AQS的功能不限于此,内容很多,这里就先分享一个最基础独占锁的原理,希望对大家有帮助。

以上就是深入了解java并发AQS的独占锁模式的详细内容,更多关于Java并发AQS独占锁模式的资料请关注其它相关文章!

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