AQS源码分析
原理
AQS 核心思想是,如果被请求的共享资源空闲,则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用,那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制,这个机制 AQS 是用 CLH 队列锁实现的,即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例,仅存在结点之间的关联关系)。AQS 是将每条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。
原理图
同步状态
AQS 使用一个 int 成员变量来表示同步状态,通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS 使用 CAS 对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。
//共享变量,使用volatile修饰保证线程可见性
private volatile int state;
状态信息通过protected
类型的getState()
,setState()
,compareAndSetState()
进行操作
//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {
return state;
}
// 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
对资源的共享方式有两种
Exclusive(独占)
只有一个线程能执行,如ReentrantLock
。又可分为公平锁和非公平锁,ReentrantLock
同时支持两种锁,下面以ReentrantLock
对这两种锁的定义做介绍:
- 公平锁 :按照线程在队列中的排队顺序,先到者先拿到锁
- 非公平锁 :当线程要获取锁时,先通过两次 CAS 操作去抢锁,如果没抢到,当前线程再加入到队列中等待唤醒。
ReentrantLock
中相关的源代码:
ReentrantLock
默认采用非公平锁,因为考虑获得更好的性能,通过 boolean
来决定是否用公平锁(传入 true
用公平锁)。
/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
public ReentrantLock() {
// 默认非公平锁
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
//FairSync()是公平锁
//NonfairSync非公平锁
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
ReentrantLock
中公平锁的 lock
方法
static final class FairSync extends Sync {
final void lock() {
acquire(1);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
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();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 1. 和非公平锁相比,这里多了一个判断:是否有线程在等待!=====>hasQueuedPredecessors()
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}
ReentrantLock
中非公平锁的 lock
方法
static final class NonfairSync extends Sync {
final void lock() {
// 2. 和公平锁相比,这里会直接先进行一次CAS,成功就返回了
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
// 这里没有对阻塞队列进行判断
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;
}
总结:公平锁和非公平锁只有两处不同
- 非公平锁在调用 lock 后,首先就会调用 CAS 进行一次抢锁,如果这个时候恰巧锁没有被占用,那么直接就获取到锁返回了。
- 非公平锁在 CAS 失败后,和公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法,在 tryAcquire 方法中,如果发现锁这个时候被释放了(state == 0),非公平锁会直接 CAS 抢锁,但是公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态,如果有则不去抢锁,乖乖排到后面。
公平锁和非公平锁就这两点区别,如果这两次 CAS 都不成功,那么后面非公平锁和公平锁是一样的,都要进入到阻塞队列等待唤醒。
相对来说,非公平锁会有更好的性能,因为它的吞吐量比较大。当然,非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定,可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。
Share(共享)
多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch
。Semaphore
、CountDownLatCh
、 CyclicBarrier
、ReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock
可以看成是组合式,因为 ReentrantReadWriteLock
也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS 已经在上层已经帮我们实现好了。
AQS 底层使用了模板方法模式
同步器的设计是基于模板方法模式的,如果需要自定义同步器一般的方式是这样(模板方法模式很经典的一个应用):
- 使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法。(这些重写方法很简单,无非是对于共享资源 state 的获取和释放)
- 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中,并调用其模板方法,而这些模板方法会调用使用者重写的方法。
这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别,这是模板方法模式很经典的一个运用。
AQS 使用了模板方法模式,自定义同步器时需要重写下面几个 AQS 提供的钩子方法:
//独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
protected boolean tryAcquire(int)
//独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int)
//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
protected boolean tryAcquireShared(int)
//共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int)
//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
protected boolean isHeldExclusively()
什么是钩子方法呢? 钩子方法是一种被声明在抽象类中的方法,一般使用 protected 关键字修饰,它可以是空方法(由子类实现),也可以是默认实现的方法。模板设计模式通过钩子方法控制固定步骤的实现。
除了上面提到的钩子方法之外,AQS 类中的其他方法都是 final ,所以无法被其他类重写。
以 ReentrantLock
为例,state
初始化为 0,表示未锁定状态。A 线程 lock()
时,会调用 tryAcquire()
独占该锁并将 state+1
。此后,其他线程再 tryAcquire()
时就会失败,直到 A 线程 unlock()
到 state=0
(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A 线程自己是可以重复获取此锁的(state 会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多少次,这样才能保证 state 是能回到零态的。
再以 CountDownLatch
以例,任务分为 N 个子线程去执行,state 也初始化为 N(注意 N 要与线程个数一致)。这 N 个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()
一次,state 会 CAS(Compare and Swap) 减 1。等到所有子线程都执行完后(即 state=0
),会 unpark()
主调用线程,然后主调用线程就会从 await()
函数返回,继续后余动作。
一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease
、tryAcquireShared-tryReleaseShared
中的一种即可。但 AQS 也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock
。
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