前言
AbstractQueuedSynchronizer(AQS)是Java并发包中的一个抽象类, 它为实现阻塞锁和相关的同步器（如信号量、事件等）提供了一个框架, Java内置的线程同步工具如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等都基于AQS实现
AQS的实现原理
- 一个变量
state, 表示加锁的次数, 如0表示未加锁、1表示已加锁、N表示重入加锁了N次 - 一个
队列来存储等待获取锁的线程, 通过持有队列的head、tail来实现队列访问
特性
- 可重入
- 独占模式和共享模式
- 支持超时、支持可中断
- 支持通过锁获取
condition对象, 实现等待/唤醒功能
简单锁示例
在锁工具内部, 我们还需要定义一个类Sync来继承AQS,并覆写tryAcquire、tryRelease两个方法即可
- tryAcquire CAS设置
state变量从0到1, 成功则视为拿到锁资源 - tryRelease 将
state变量恢复为0, 即释放锁资源
public class DemoLock {
public void lock() {
// 代理给sync的acquire方法
sync.acquire(1);
}
public void unlock() {
// 代理给sync的release方法
sync.release(0);
}
private static final Sync sync = new Sync();
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
return compareAndSetState(0, 1);
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
setState(0);
return true;
}
}
}
测试用例如下所示,启动10个线程并发调用increment, 注意unlock要在finally块中执行
class DemoLockTest {
private static int count = 0;
private static final DemoLock lock = new DemoLock();
@Test
void testLock() throws InterruptedException {
// 10个线程, 执行内容都是调用increment方法
List<Thread> threads = new ArrayList<>(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threads.add(new Thread(this::increment));
}
// 启动所有线程
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
}
// main线程等待所有线程结束
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
System.out.println("count = " + count);
}
private void increment() {
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
try {
lock.lock();
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
lock 流程
lock实现就是代理给内部sync的acquire方法
acquire方法的逻辑为
-
tryAcquire, 即我们DemoLock中Sync覆写的方法, 实现为CAS设置state从0变1 - 如果tryAcquire失败
-
addWaiter, 将当前线程包装为链表Node,并加入到等待队列中 -
acquireQueued, 对已在队列中的Node, 循环的尝试获取锁
-
- 如果循环获取锁时发现线程被中断, 会执行
selfInterrupt重置中断标记
public final void acquire(int arg) {
// tryAcquire 尝试获取锁
if (!tryAcquire(arg) &&
// addWaiter 将当前线程加入到等待队列中
// acquireQueued 从等待队列中循环锁, 返回结果为当前节点关联的线程是否被中断了
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 如果当前节点关联的线程被中断了, 则重置中断状态
selfInterrupt();
}
addWaiter方法
private Node addWaiter(Node mode) {
// 将当前线程包装为链表节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 尝试快速入队，如果失败则使用enq方法
Node pred = tail; // 原链表尾节点
if (pred != null) {
// 将当前节点作为新的尾节点
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 原链表尾节点为空或者CAS失败, enq入队
enq(node);
return node;
}
enq
private Node enq(final Node node) {
for (; ; ) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
// tail为null时,head也必为null,初始化head和tail节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 将当前节点插入到队列尾部
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
acquireQueued方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (; ; ) {
final Node p = node.predecessor(); // p为当前节点的前驱节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱节点为head节点,尝试获取锁
setHead(node); // 设置当前节点为head节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 挂起即阻塞当前线程,
// 根据前驱节点的状态来判断当前节点是否需要挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 将当前线程挂起,并返回当前线程是否被中断
parkAndCheckInterrupt())
// 若当前线程被中断,则设置中断标志为true
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed) // 如果获取锁失败,则取消当前节点的获取锁操作
cancelAcquire(node);
}
}
setHead
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
shouldParkAfterFailedAcquire
源码之前, 要了解下Node有哪些状态
/**
* 当前线程已取消
*/
static final int CANCELLED = 1;
/**
* 后继线程需要唤醒
*/
static final int SIGNAL = -1;
/**
* 当前等待条件中
*/
static final int CONDITION = -2;
/**
* CAS获取锁失败后, 判断是否要挂起当前线程
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; // 获取前驱节点的状态
if (ws == Node.SIGNAL) // 前驱节点的状态为SIGNAL,表示当前节点需要挂起
return true;
if (ws > 0) {
// 前驱节点的状态大于0,则只能是1(CANCELLED),表示前驱节点已取消,则跳过N个已取消的前驱节点
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 尝试将前驱节点的状态设置为SIGNAL, 保证下一次循环进入此方法时,返回true
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt
/**
* 挂起当前线程,并返回当前线程是否被中断
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
cancelAcquire
/**
* 取消获取锁的尝试
*/
private void cancelAcquire(Node node) {
if (node == null) return;
node.thread = null;
// 跳过已取消的前驱节点
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// 找到未取消的前驱节点
Node predNext = pred.next;
// 设置当前节点的状态为取消
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 如果当前节点是尾节点 则将找到的前驱节点设置为新的尾节点, 即将当前节点从链表中删除
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
int ws;
if (
// 1. 前驱节点不是头节点
pred != head &&
// 2. 并且前驱节点的状态是SIGNAL 或能CAS设置成SINGNAL
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL)))
// 3. 并且前驱节点的线程不为空
&& pred.thread != null) {
// 将当前节点的后继链到找到的新前驱上, 即将当前节点从链表中删除
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
// 唤醒后继节点的条件为
// 1. 前驱节点是头节点
// 2. 前驱节点的状态不是SIGNAL 或者不能CAS设置成SINGNAL
// 3. 前驱节点的线程为空
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
unparkSuccessor
/**
* 唤醒后继节点
*/
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0) // CAS设置当前节点为初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从链表尾部向前查找第一个状态不为取消的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null) // 唤醒后继节点的线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
unlock 流程
unlock实现就是代理给内部sync的release方法,实现比较简单
- 调用DemoLock覆写的tryRelease释放锁
- 释放锁成功, 唤醒后继节点
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
// 释放锁成功后, 需要唤醒后继节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}