源码分析之AbstractQueuedSynchronizer

2017-03-27 本文已影响289人特立独行的猪手

在java.util.concurrent包中，大部分的同步器都是基于AbstractQueuedSynchronizer(AQS)这个框架实现的。这个框架为同步状态提供原子性管理、线程的阻塞和解除阻塞以及排队提供了一种通用机制。

同步器一般包含2种方法，一种是acquire，另一种是release。acquire操作阻塞线程，获取锁。release通过某种方式改变让被acquire阻塞的线程继续执行，释放锁。为了实现这2种操作，需要以下3个基本组件的相互协作：

同步状态的原子性管理
线程的阻塞和解除阻塞
队列管理

同步状态

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

AQS使用一个int变量来保存同步状态，并暴露出getState、setState以及compareAndSet来读取或更新这个状态。并且用了volatile来修饰，保证了在多线程环境下的可见性。通过使用compare-and-swap(CAS)指令来实现compareAndSetState。

这里的同步状态用int而非long，主要是因为64位long字段的原子性操作在很多平台上是使用内部锁的方式来模拟实现的，这会使得同步器的会有性能问题。绝对多数int型的state足够我们使用，但JDK也提供了long型state的实现：java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedLongSynchronizer。

阻塞

JDK1.5之前，阻塞线程和解除线程阻塞都是基于Java自身的监控器。在AQS中实现阻塞是用java.util.concurrent包的LockSuport类。方法LockSupport.park阻塞当前线程，直到有个LockSupport.unpark方法被调用。

队列管理

AQS框架关键就在于如何管理被阻塞的线程队列。提供了2个队列，分别是线程安全Sync Queue(CLH Queue)、普通的Condition Queue。

Sync Queue

Sync Queue是基于FIFO的队列，用于构建锁或者其他相关同步装置。CLH锁可以更容易地去实现取消（cancellation）和超时功能，因此我们选择了CLH锁作为实现的基础。

队列中的元素Node是保存线程的引用和线程状态。Node是AQS的一个静态内部类：

 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;
    }

Node类的成员变量如上所示，主要负责保存线程引用、队列的前继和后继节点，以及同步状态：

成员	描述
waitStatus	用来标记Node的状态: CANCELLED:1, 表示当前线程已经被取消 SIGNAL:-1,表示当前节点的后继节点等待运行 CONDITION:-2, 表示当前节点已被加入Condition Queue PROPAGATE:-3, 共享锁的最终状态是PROPAGATE
thread	当前获取lock的线程
SHARED	表示节点是共享模式
EXCLUSIVE	表示节点是独占模式
prev	前继节点
next	后继节点
nextWaiter	存储Condition Queue中的后继节点

Node元素是Sync Queue构建的基础。当获取锁的时候，请求形成节点挂载在尾部。而锁资源的释放再获取的过程是从开始向后进行的。

acquire 获取锁

在AQS自身仅定义了类似acquire方法。在实现锁的时候，一般会实现一个继承AQS的内部类Sync。而在Sync类中，我们根据需求来实现重写tryAcquire方法和tryRelease方法。独占锁acquire方法如下：

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

通过tryAcquire（由不同的实现类实现）尝试获取锁，如果可以获取锁直接返回。获取不到锁，则调用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;
    }
    
        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;
                }
            }
        }
    }

addWaiter方法作用是把当前线程封装成Node节点，通过CAS操作快速尝试挂载至队列尾部。
- 如果tail节点t已经有了：将t节点更新为当前节点node的前继节点node.prev，将t.next更新为当前节点node；
- 如果tail节点添加失败：
  - 如果tail节点为空，那么原子化的分配一个头节点，并将尾节点指向头节点，这一步是初始化；
  - 如果tail节点不为空，循环重复addWaiter方法的工作直至当前节点入队为止。

    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);
        }
    }

节点加入Sync Queue之后，接下来就是要进行锁的获取，或者说是访问控制了，只有一个线程能够在同一时刻继续的运行，而其他的进入等待状态。
- 获取当前节点的前继节点
- 当前继节点是头结点并且能够获取状态，代表该当前节点占有锁；如果满足上述条件，那么代表能够占有锁，根据节点对锁占有的含义，设置头结点为当前节点。
- 否则进入等待状态。

至此，可以总结一次acquire的过程大致为：

release 释放锁

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

首先通过CAS操作变更同步状态state。
释放成功后，通过LockSupport.unpark方法来唤醒后继节点，后继节点继续获取锁。

Condition Queue

AQS框架提供了一个ConditionObject内部类，给维护独占同步的类以及实现Lock接口的类使用。一个锁对象可以关联任意数目的条件对象，可以提供典型的Java监视器风格的await、signal和signalAll操作，包括带有超时的，以及一些检测、监控的方法。Condition Queue是普通的队列并不要求是线程安全，原因是在线程在操作Condition时，要求线程必须独占锁，不需要考虑并发的问题。

Condition Queue也是以Node为基础的队列。

        /** First node of condition queue. */
        private transient Node firstWaiter;
        /** Last node of condition queue. */
        private transient Node lastWaiter;

await操作

Condition在执行await操作时，首先会调用addConditionWaiter()方法将当前线程封装的Node节点加入到wait queue。

        private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

上述addConditionWaiter的逻辑是：

首先清除Condition Queue队列中cancelled状态的尾节点；
如Condition Queue队列为空，封装当前线程的node节点为Condition Queue的firstWaiter。如Condition Queue队列不为空，则把该节点加至队列尾部。

 public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

加入Condition queue之后，要释放当前线程获取的所有的锁；
如果线程没有在Sync Queue中，将调用LockSupport.park阻塞当前线程，直到signalled或者interrupted唤醒去获取锁。

single 操作

        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
        
        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }

首先检查线程是否独占锁；
获取Codition Queue的firstWaiter，将节点转移至Sync Queue中去。

singleAll 操作

        private void doSignalAll(Node first) {
            lastWaiter = firstWaiter = null;
            do {
                Node next = first.nextWaiter;
                first.nextWaiter = null;
                transferForSignal(first);
                first = next;
            } while (first != null);
        }

signalAll唤醒Condition Queue的所有等待线程，将所有的Condition Queue中的node元素转移至Sync Queue中去。

其他API

这里只介绍了独占锁模式下，普通acquire、release方法的原理，AQS还提供了很多可以供我们选择的API：

如优先考虑中断、超时的：acquireInterruptibly、tryAcquireNanos；
如共享锁模式下acquireShared、releaseShared；

等等...

这里暂时不详细分析，后面有时间的话可以再做了解。

参考：

The java.util.concurrent Synchronizer Framework

AbstractQueuedSynchronizer的介绍和原理分析