CAS和AQS
2018-10-07 本文已影响0人
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[TOC]
CAS
全称（Compare And Swap）,比较交换
Unsafe类是CAS的核心类，提供硬件级别的原子操作。
// 对象、对象的地址、预期值、修改值
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
缺点：
- 开销大：在并发量比较高的情况下，如果反复尝试更新某个变量，却又一直更新不成功，会给CPU带来较大的压力
-
ABA问题：当变量从A修改为B在修改回A时，变量值等于期望值A，但是无法判断是否修改，CAS操作在ABA修改后依然成功。
- 如何避免：Java提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference来解决。AtomicStampedReference通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，对于ABA问题其解决方案是加上版本号，即在每个变量都加上一个版本号，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A。
- 不能保证代码块的原子性：CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。
public class Test {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);
private static AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(100,1);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//AtomicInteger
Thread at1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
atomicInteger.compareAndSet(100,110);
atomicInteger.compareAndSet(110,100);
}
});
Thread at2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // at1,执行完
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("AtomicInteger:" + atomicInteger.compareAndSet(100,120));
}
});
at1.start();
at2.start();
at1.join();
at2.join();
//AtomicStampedReference
Thread tsf1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//让 tsf2先获取stamp，导致预期时间戳不一致
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 预期引用：100，更新后的引用：110，预期标识getStamp() 更新后的标识getStamp() + 1
atomicStampedReference.compareAndSet(100,110,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);
atomicStampedReference.compareAndSet(110,100,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);
}
});
Thread tsf2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2); //线程tsf1执行完
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("AtomicStampedReference:" +atomicStampedReference.compareAndSet(100,120,stamp,stamp + 1));
}
});
tsf1.start();
tsf2.start();
}
}
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）
维护一个volatile int state（代表共享资源状态）和一个FIFO线程等待队列。
模板方法基本分为三类：
- 独占锁
- 共享锁
- 释放锁
资源共享的方式
- Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）
- Share（共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）
同步队列
AQS依靠同步队列（一个FIFO的双向队列）来完成同步状态的管理。当当前线程获取状态失败后，同步器会将当前线程以及等待信息构造成一个节点（Node），并尝试将他加入到同步队列。Head节点不保存等待的线程信息，仅通过next指向队列中第一个保存等待线程信息的Node。
双向同步队列
Node类
源码（中字注释）
static final class Node {
/** 代表共享模式 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 代表独占模式 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** 以下四个状态解释见下文等待状态 */
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
/** 标识等待状态，通过CAS操作更新，原子操作不会被打断*/
volatile int waitStatus;
/** 当前节点的前置节点 */
volatile Node prev;
/** 当前节点的后置节点 */
volatile Node next;
/** 该节点关联的线程（未能获取锁，进入等待的线程） */
volatile Thread thread;
/** 指向下一个在某个条件上等待的节点，或者指向 SHARE 节点，表明当前处于共享模式*/
Node nextWaiter;
/**
* 判断是否处于共享模式
*/
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
/**
* 返回当前节点的前置节点
* 会做对前置节点空值判断
*/
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
等待状态：
等待状态的修改是CAS原子操作
- CANCELED： 1，因为等待超时 （timeout）或者中断（interrupt），节点会被置为取消状态。处于取消状态的节点不会再去竞争锁，也就是说不会再被阻塞。节点会一直保持取消状态，而不会转换为其他状态。处于 CANCELED 的节点会被移出队列，被 GC 回收。
- SIGNAL： -1，表明当前的后继结点正在或者将要被阻塞（通过使用 LockSupport.pack 方法），因此当前的节点被释放（release）或者被取消时（cancel）时，要唤醒它的后继结点（通过 LockSupport.unpark 方法）。
- CONDITION： -2，表明当前节点在条件队列中，因为等待某个条件而被阻塞。
- PROPAGATE： -3，在共享模式下，可以认为资源有多个，因此当前线程被唤醒之后，可能还有剩余的资源可以唤醒其他线程。该状态用来表明后续节点会传播唤醒的操作。需要注意的是只有头节点才可以设置为该状态（This is set (for head node only) in doReleaseShared to ensure propagation continues, even if other operations have since intervened.）。
- 0：新创建的节点会处于这种状态
锁的获取与释放：
获取独占锁
获取独占锁
- acquire方法
public final void acquire(int arg) {
// 首先尝试获取锁，如果获取失败，会先调用 addWaiter 方法创建节点并追加到队列尾部
// 然后调用 acquireQueued 阻塞或者循环尝试获取锁
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)){
// 在 acquireQueued 中，如果线程是因为中断而退出的阻塞状态会返回 true
// 这里的 selfInterrupt 主要是为了恢复线程的中断状态
selfInterrupt();
}
}
释放独占锁
释放独占锁
在独占模式中，锁的释放由于没有其他线程竞争，相对简单。锁释放失败的原因是由于该线程本身不拥有锁，而非多线程竞争。锁释放成功后会检查后置节点的状态，找到合适的节点，调用unparkSuccessor方法唤醒该节点所关联的线程。
- release方法
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// waitStatus 为 0，证明是初始化的空队列或者后继结点已经被唤醒了
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
获取共享锁
获取共享锁
-
acquireShared方法
通过该方法可以申请锁
public final void acquireShared(int arg) {
// 如果返回结果小于0，证明没有获取到共享资源
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
- doAcquireShared
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
