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Java - 非著名Java程序员
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<a class="clearlink" href="16272819939818.html">
<h1>AQS</h1>
<div class="a-content">
<div class="a-content-text">
<div class="mweb_toc"><ul>
<li><a href="#reentrantlock">ReentrantLock</a>
<ul>
<li><a href="#%E5%8A%A0%E9%94%81%E8%BF%87%E7%A8%8B">加锁过程</a></li>
<li><a href="#reentrantlock-unlock%E8%A7%A3%E9%94%81%E8%BF%87%E7%A8%8B">ReentrantLock unlock 解锁过程</a></li>
<li><a href="#%E9%9D%9E%E5%85%AC%E5%B9%B3%E9%94%81">非公平锁</a></li>
</ul>
</li>
<li><a href="#locksupport">LockSupport</a></li>
</ul>
</div>
<p>Java 并发编程核心在于 juc 包，而其中大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这个行为的抽象就是 AQS。</p>
<p>AQS 定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，是一个依赖状态(volatile int state)的同步器。</p>
<blockquote>
<p>Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues. This class is designed to be a useful basis for most kinds of synchronizers that rely on a single atomic int value to represent state.</p>
</blockquote>
<p>AQS 特性：</p>
<ul>
<li>阻塞等待队列</li>
<li>共享、独占</li>
<li>公平、非公平</li>
<li>可重入</li>
<li>允许中断</li>
</ul>
<p><img src="http://hitol.blog.cdn.updev.cn/2021-07-26-16272819971708.jpg" alt="" /></p>
<p>一般都是通过定义内部类 Sync 继承 AQS<br />
将同步器所有调用都映射到 Sync 对应的方法</p>
<p>AQS 内部维护属性 volatile int state 表示资源的可用状态</p>
<p>state 三种访问方式<br />
getState、setState、compareAndSetState</p>
<p>AQS 定义两种资源共享方式</p>
<ul>
<li>Exclusive，独占，只有一个线程能执行，如 ReentrantLock</li>
<li>Share，共享，多个线程可以同时执行，入 Semaphore、CountDownLatch</li>
</ul>
<p>AQS 定义两种队列</p>
<ul>
<li>同步等待队列</li>
<li>条件等待队列</li>
</ul>
<p>AQS，重点<br />
自旋、加锁(CAS)、LockSupport、队列</p>
<p>下面通过 ReentrantLock 看下 AQS 的实现。</p>
<h2><a id="reentrantlock" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>ReentrantLock</h2>
<p>ReentrantLock 内部 定义一个内部类 Sync，Sync 继承自 AQS，Sync 还有两个子类，FairSync、NonfairSync 区别公平锁与非公平锁。<br />
new ReentrantLock(true) 为公平锁<br />
构造函数：</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">// 默认非公平锁
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
</code></pre>
<p>公平锁，按照线程过来的顺序依次去获取锁，FIFO<br />
非公平锁，可以插队</p>
<h3><a id="%E5%8A%A0%E9%94%81%E8%BF%87%E7%A8%8B" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>加锁过程</h3>
<p>假设现在 ReentrantLock 是 FairSync 公平锁</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// new ReentrantLock().lock() 会调用到这里
final void lock() {
acquire(1);
}
// acquire 在 AQS 的代码
// public final void acquire(int arg) {
// if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
//}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
// 先获取 state 的值
int c = getState();
// 这一步是 第一次加锁
// 如果 state 的值为 0，并且队列中没有等待的线程，并且 CAS 设置 state 值为1成功，执行 setExclusiveOwnerThread ，设置当前线程为 current，表示当前线程获得了锁
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 这一步是为了重入锁
// 如果 state 不是0，并且 AQS 中的当前执行线程就是当前线程，
// state + 1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// false 就是没有获得到锁，没有获取锁，会在执行 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 这个逻辑
return false;
}
}
</code></pre>
<p>当调用 ReentrantLock 的 lock 方法时会调用到 FairSync 类的 lock 方法。</p>
<p>acquire(1) 这个方法主要是加锁，然后设置 state 为 1，会先调用本类实现的 tryAcquire 方法 尝试去加锁，这个方法里面分为了第一次为当前线程加锁，和当前线程的重入锁两种情况，</p>
<p>如果是 state 为 0 ，hasQueuedPredecessors 方法，判断队列是否为空，或者当前线程是否是队列里第一个线程，<br />
如果队列为空，然后 CAS 比较并交换 state 的值为 1，这两步都成功了，则当前线程获取了锁，设置 AQS 内部的当前线程变量为 current。</p>
<p>如果 state 不是 0，判断 AQS 中的内部线程变量与 current 是否相等，是不是同一个线程来获取锁，是同一个线程，state + 1。可重入锁</p>
<p>如果当前线程没有获取锁，会执行 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 操作，将线程先添加队列，然后阻塞当前线程</p>
<p>Node.EXCLUSIVE 表示独占锁，addWaiter 这一步就是往队列里添加当前线程，添加到队列的尾部，Node 里有对当前线程的引用</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">private Node addWaiter(Node mode) {
// 新建 Node，绑定当前线程 与 独占模式
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
// tail 为null，表示队列为空 ？？tail 初始值是不是 null
// 不为 null，表示队列不为空，将 node 添加到队尾
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 自旋，保证当前node 添加成功
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
// 自旋 与 CAS 保证入队的线程 是一个一个入队的，原子性、同步
// 并且双向队列指针指向正确，此处也有并发情况，如果不是同步进行的有可能队列乱掉
for (;;) {
Node t = tail;
// 队列为空，表明是第一个线程进来，创建一个头结点，CAS 确保并发情况下只有一个线程能创建成功
// 设置头结点，尾结点等于头结点,相当于 初始化 队列，
// 但是没有对当前 node 操作，也就是说当前这个 node 还没有入队
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//队列不为空，添加到队尾
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
</code></pre>
<p>addWaiter 方法中，第一个线程获取lock 的时候，tail应该是 null ，然后 enq 执行的时候，如果 tail 是 null，只是进行了初始化，并没有将 node 设置到队尾，在下一次循环的时候添加到队尾，这样就 head 就是头结点，然后第一个线程对应的 node 其实是第二个节点？？？</p>
<p>arg 就是 state，acquireQueued 这一步是为了阻塞队列中的线程，</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 当前 node 的前一个 node
final Node p = node.predecessor();
// 如果 p 是头结点，说明队列中只有一个node ，
// 则再去重试获取锁，如果获取成功了，当前线程就不用阻塞，直接执行
// 下一步 selfInterrupt 就不用执行，一定程度上提高了并发
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 判断 前置节点 p 的 waitStatus
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 前置节点的 ws，等于这个 Node.SIGNAL 的时候，才可以阻塞当前调用线程
// 当前节点能否被 park 取决于其前置节点的 waitStatus
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) {
// 大于0 的就只有 CANCELLED，删除大于 0 的node
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 设置前置节点的状态为 Node.SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 阻塞当前调用线程
LockSupport.park(this);
// 返回线程中断状态，清除中断状态
return Thread.interrupted();
}
// 中断当前调用线程，上面的 parkAndCheckInterrupt 方法清理掉了线程的中断信号状态
static void selfInterrupt() {
// 中断线程
Thread.currentThread().interrupt();
}
</code></pre>
<p>Node 的 waitStatus<br />
CANCELLED = 1，表示已经失效的，需要删除<br />
SIGNAL = -1，表示可以被阻塞<br />
CONDITION = -2<br />
PROPAGATE = -3</p>
<p>shouldParkAfterFailedAcquire<br />
当前节点对应的线程是否要 park，取决于其前置节点的 waitStatus 的值，当是 -1 的时候返回 true，表示当前节点对应的线程可以被阻塞，<br />
如果是初始化状态，waitStatus = 0，则设置其前置节点的 waitStatus 为 -1。</p>
<h3><a id="reentrantlock-unlock%E8%A7%A3%E9%94%81%E8%BF%87%E7%A8%8B" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>ReentrantLock unlock 解锁过程</h3>
<p>unlock 会调用 release 方法。唤醒队列头部线程<br />
线程中断唤醒</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁，修改 state 值为 原值减去 arg 的值
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 头结点不为 null，并且头结点的 waitStatus 为 -1 时，才去 unpark 当前线程，然后把头结点的 waitStatus 改为 0
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;
}
// node 为头结点，头结点的 waitStatus = -1 时，执行该方法
// 将 头结点的 waitStatus 通过 CAS 方式 修改为 0
// unpark 头结点后面第一个 waitStatus <= 0 的节点对应的线程
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
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);
}
</code></pre>
<p>上面加锁的过程，不惜循环两次，把头结点的 waitStatus 由 初始值 0 改为了 -1，<br />
解锁的过程又把头结点的 waitStatus 由 -1 改为 0</p>
<h3><a id="%E9%9D%9E%E5%85%AC%E5%B9%B3%E9%94%81" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>非公平锁</h3>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
// 这里是插队，新来的线程是否能够立即获取到锁，
// 如果获取到则执行新来的线程，获取不到则添加到队列尾部
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
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) {
// 与公平锁的区别 少了一步判断 !hasQueuedPredecessors()
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;
}
</code></pre>
<h2><a id="locksupport" class="anchor" aria-hidden="true"><span class="octicon octicon-link"></span></a>LockSupport</h2>
<p>当线程调用 LockSupport.park 方法后，线程会阻塞在这，有两种方式唤醒，<br />
一种是 外部唤醒，unpark<br />
另一种是线程中断</p>
<pre class="line-numbers"><code class="language-java">Thread t0 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Thread thread = Thread.currentThread();
String name = thread.getName();
System.out.println( name + " 开始执行");
for (;;){
System.out.println("准备 park 当前线程 " + name);
LockSupport.park();
System.out.println("当前线程 " + name + " 已被唤醒");
if (thread.isInterrupted()){
System.out.println("线程已被中断");
return;
}
}
}
});
t0.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println("准备唤醒 " + t0.getName());
LockSupport.unpark(t0);
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
t0.interrupt();
--- 运行结果
Thread-0 开始执行
准备 park 当前线程 Thread-0
准备唤醒 Thread-0
当前线程 Thread-0 已被唤醒
准备 park 当前线程 Thread-0
当前线程 Thread-0 已被唤醒
线程已被中断
</code></pre>
<p>interrupt() 方法中断线程，但并不是立即停止线程，而是等待线程运行结束后中断</p>
<hr />
<!--
上面说完了 ReentrantLock，其实 AQS 还有两个比较重要的实现，CountDownLatch 和 Semaphore。
Semaphore 通常叫它信号量， 可以用来控制同时访问特定资源的线程数量。常用于限流。 比如：数据库连接池-->
</div>
</div>
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<span class="date">2021/07/26 14:46 下午</span>
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