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AQS:JAVA经典之锁实现算法(一)

序言

AQS可以说是JAVA源码中必读源码之一。同时它也是JAVA大厂面试的高频知识点之一。认识并了解它,JAVA初中升高级工程师必备知识点之一。 AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称,它也是JUC包下众多非原生锁实现的核心。

一:AQS基础概况

AQS是基于CLH队列算法改进实现的锁机制。大体逻辑是AQS内部有一个链型队列,队列结点类是AQS的一个内部类Node,形成一个类似如下Sync Queue(记住这个名词)

Sync Queue

可以看出,一个Node除了前后结点的索引外,还维护了一个Thread对象,一个int的waitStatus。 Thread对象就是处于竞争队列中的线程对象本身。 waitStatus表示当前竞争结点的状态,这里暂且忽略掉。

处于队首的,即Head所指向的结点,即为获取到锁的结点。释放锁即为出队,后续结点则成为队首,即获取到锁

Tips:这里帮大家理解一个事情,每一个ReentrantLock实例都有且只有一个AQS实例,一个AQS实例维护一个Sync Queue。所以说,当我们的业务代码中的多个线程对同一个ReentrantLock实例进行锁竞争操作时,其实际就是对同一个Sync Queue的队列进行入队、出队操作。

二:AQS调用入口----ReentrantLock

我们在用ReentrantLock时,代码通常如下:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Runnable runnable = new Runnable() {
  public void run() {
    lock.lock();
    Sys.out(Thread.currentThread().name() + "抢到锁");
    lock.unlock();
  }
};
Thread t1 = new Thread(runnable);
Thread t2 = new Thread(runnable);
t2.start();
t1.start();
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可见线程t1,t2竞争lock这个锁。 lock.lock()抢锁 lock.unlock()释放锁 来看入口函数lock

public void lock() {
  sync.lock();
}
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syncReentrantLock内的一个继承了AQS的抽象类

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
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抽象类的具体实现是另两个内部类NonFairSync FairSync,分别代表非公平锁、公平锁。

我们系统来看下继承图

Sync父子图

ReentrantLock中的sync实例,默认是在构造函数中初始化的,

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}
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那我们就看默认的NonFairSync的实现逻辑。

NonFairSync

当我们调用ReentrantLock.lock()时,直接调用到的是NonFairSync.lock()

       /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
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compareAndSetState(0, 1)通过CAS(CAS是啥,这里不讲,参考乐观锁。具体Google吧)方式,设置AQS的int state字段为1。AQS内部就是通过这个state是否为0来判断当前锁是否已经被线程获取到。 返回true,则说明获取锁成功,设置当前锁的独占线程setExclusiveOwnerThreaThread.currentThread()); 否则,acquire(1)尝试获d(取锁。这个方法会自旋、阻塞,一直到获取锁成功为止。这里,传进去的参数1,就参考乐观锁的版本字段,同时,这里,它还记录了可重入锁重复获取到锁的次数。只有释放同样次数才能最终释放锁。

具体看AQS的acquire()的逻辑

AbstractQueuedSynchronizer.acquire()

public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
}
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要注意,这个方法是忽略线程中断的。 先看tryAcquire(arg),这个方法是AQS留给子实现类的口子,具体实现看NonFairSync,它的实现里直接调用了Sync.nonfairTryAcquire()

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                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;
        }
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可以看到方法内,先是尝试获取state = 0时的初始锁,如果失败,判断当前锁是否是被当前线程获取,是的话,将acquire时传入的参数累加到state字段上。在这里,这个字段就是用来记录重复获取锁的次数。 获取失败则返回false

回到acquire 在获取失败,返回false后,才会继续调用 &&右边的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)方法。 先看addWaiter

private Node addWaiter(Node mode) {
1:        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
2:        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
3:        Node pred = tail;
4:        if (pred != null) {
5:           node.prev = pred;
6:           if (compareAndSetTail(pred, node)) {
7:                pred.next = node;
8:                return node;
9:            }
10:        }
11:       enq(node);
12:        return node;
13:    }
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利用传进来的Node.EXCLUSIVE表示的排斥锁参数以及当前线程实例初始化新Node,第4-10行代码是在Sync Queue队列内有竞争线程时进入。为空时会走到enq(node),这里是在竞争为空时将竞争线程入队的操作。 然后返回当前竞争的线程node 此时Sync Queue如图

Sync Queue.png
我们假设node_1是已经获取到锁的结点,node_2即为我们当前操作的结点。

返回acquire接着看 addWaiter返回的node直接作为参数给了acquireQueued,这个方法就是主要的node竞争锁方法。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        // 获取锁成功失败标记
        boolean failed = true;
        try {
            // 当前竞争线程的中断标记
            boolean interrupted = false;
            // 自旋竞争锁,竞争不到锁的话,线程又没有中断
            // 则一直在这儿循环
            for (;;) {
                // 获取当前线程的前驱结点
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前驱结点是头结点,则尝试去tryAcquire
                // 这个逻辑我们之前看过,当前线程未获取到锁的情况下
                // 在AQS的state字段不为0时,则返回false
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 进入到这里,说明要不就是当前线程在重复获取
                    // 要不就是前边的结点释放锁,state 归0,这里获取到
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    // 标识竞争锁成功
                    failed = false;
                    // 这个方法不响应线程中断,但是会返回线程在竞争锁过程中
                    // 中断标记返回
                    return interrupted;
                }
                // 若获取锁失败,则到这里。这里的逻辑主要在If判断
                // 的两个方法中,用来将当前线程挂起的,具体逻辑
                // 看下面
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
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park就是停下的意思。所以这个方法从名字上也比较好理解,就是 挂起线程并且检查线程的中断状态。这里要注意,LockSupport.part(this)方法是会在线程中断时自动唤醒的

 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
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这个方法传入了当前竞争结点及其前驱结点

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        // 前驱结点的等待状态。这里只需要记住,我们这里考虑的是
        // 非共享锁、非公平锁的AQS。所以,只需要确保当前竞争
        // 结点的前驱结点状态为SIGNAL就好。剩下的状态,
        // 与我们此时研究的情况而言没有用
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            // 如果前驱结点的status为0,则将其改为SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
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shouldParkAfterFailedAcquire可以看出来,在确保前驱结点status为SIGNAL时,就可以放心的去unsafe.park()了。之所以要为SIGNAL,是因为这个状态含义为:当前结点OVER时要唤醒后继结点。

所以不难推出,我们的结点现在就park在那了。等他前驱结点释放锁,或者自己interrupt来唤醒,但因为这个方法是无视中断的,所以即使interrupt了,只是设置了一个标记位,但仍然在循环中。


这里假设前驱结点获取锁后释放,则当前结点在parkAndCheckInterrupt()方法中被唤醒,而后再次循环for(;;),这次会在第一个if中就进入,当前结点获取到锁,然后重置Head指向的结点等,返回当前线程的中断标记。

返回acquire

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
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if中的selfInterrupt()方法只是去重新设置当前线程的中断标记位。这是因为获取线程中断状态的方法,在返回状态字段的同时,也会重置字段,所以需要标记后重新设置相应的值。

下面我们看下AQS释放锁的接口方法

ReentrantLock.unlock

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
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追进去

ReentrantLock.release

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
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tryRelease是在NonFairLock中的实现的,如果是释放成功,则在Head存在并且状态不为0(其实可以理解为值为SIGNAL时)去唤醒Head的后继结点。

NonFailLock.tryRelease

下面看下NonFairLocktryRelease方法的实现

        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;
        }
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可以看出,这个tryRelease其实就是去判断下是不是当前线程拥有锁,是的话,判断下当前的释放锁是否完全释放,因为锁可以重复获取,完全释放的话,就设置state为0,代表AQS的锁已经被释放了。

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