Java并发——AQS

AQS,即AbstractQuenedSynchronizer,顾名思义为抽象的队列式同步器。AQS定义了一套多线程访问共享资源的的同步器框架,许多同步类的实现都是依靠这个框架,比如谈并发就一定会谈的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。它是Java并发包(java.util.concurrent)里实现锁、同步的一个重要基础框架。


AQS类维护了一个wait quene,这个FIFO的等待队列是CLH锁队列的变体(a variant of a "CLH" lock queue)。CLH锁通常用于自旋锁(spinlocks)。而在AQS中,CLH锁被用来阻塞同步器。但是呢,即使作用有变,其基本的策略(tactic)是相同的,即在节点(Node)的前驱节点(predecessor)中保存一些关于线程的控制信息。每个节点中的 status 字段跟踪(trace)线程是否应该被阻塞。当一个节点的前驱节点被释放时,前驱节点会通知(signal)当前节点。

AQS 中的队列是由 Node 节点组成的双向链表实现的,那 Node 到达是什么呢?其实 Node 是 AQS的一个内部类,它是对访问同步资源的线程的封装,可以简单理解为一个 Node 代表一个需要同步的线程及其状态。

AQS定义了两种资源共享的方式:独占式( Exclusive ,只能一个线程独享,如 ReentrantLock )和共享式( Shared ,多个线程可同时执行,如 Semaphore / CountDownLatch )。

两种资源共享方式

每个 Node 都有其线程等待状态, Node 类维护一个 waitStatus 变量来表明这些状态:


waitStatus的取值
  • CANCELLED:值为1,在同步队列中等待的线程等待超时或被中断,需要从同步队列中取消该Node的结点,其结点的waitStatus为CANCELLED,即结束状态,进入该状态后的结点将不会再变化。

  • SIGNAL:值为-1,被标识为该等待唤醒状态的后继结点,当其前继结点的线程释放了同步锁或被取消,将会通知该后继结点的线程执行。说白了,就是处于唤醒状态,只要前继结点释放锁,就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行。

  • CONDITION:值为-2,与Condition相关,该标识的结点处于等待队列中,结点的线程等待在Condition上,当其他线程调用了Condition的signal()方法后,CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中,等待获取同步锁。

  • PROPAGATE:值为-3,与共享模式相关,在共享模式中,该状态标识结点的线程处于可运行状态。

  • 0状态:值为0,代表初始化状态。

waitStatus

写入等待队列 addWaiter()

  • 为当前的线程以及传入的资源共享方式(mode)构建一个 Node 对象 node ;
  • 如果当前队列不为空,那么就将当前线程对应节点的前驱节点设为当前尾节点 pred(try the fast path of enq);
  • 使用 CAS 设置 node 为队列尾节点,如果设置成功,就把之前的尾节点 pred 指向当前尾节点 node,并将 node 返回;
  • 如果当前队列为空,调用 enq() 将 node 入队,并返回 node 。(backup to full enq on failure)

入队 enq( Node )

  • 如果队列为空,使用 CAS 将队列初始化;
  • 如果队列不为空,将传入节点 node 的前驱节点设置为当前尾节点,然后将 node 设置为新的尾节点,并使之前尾节点指向当前尾节点,最后返回 node 的前驱节点(node's predecessor)。

aquire( int )

独占模式下获取资源

这个方法是在独占模式下线程获取共享资源的顶级入口,如果获取到资源,则返回,否则线程进入等待队列,知道获取到资源为止。这个方法忽略中断,可以用来实现 Lock 接口的 lock 方法。

这个方法的流程如下:

  1. tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;

  2. addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;

  3. acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源,一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。

  4. 如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。


aquire() 方法的传入参数先辈传给 tryAcquire( int ) 方法,这个方法如下:

tryAcquire( int )

tryAcquire( int )

这个方法体其实没有提供实现,只是给出了一异常,这也是 AQS 被当做一个框架的原因,具体的资源获取方式交给自定义的同步器去实现。现在我们只需知道这个方式是在尝试获取资源。

acquireQuened( Node, int )

acquireQuened( Node, int )

aquire() 方法中,如果尝试获取资源失败,那么就将当前线程放入队列中。acquireQuened() 的作用就是在队列中等待被唤醒,直到被唤醒,也是在做“自旋”。

  • failed 定义了线程是否获取资源;
  • interrupted 定义了线程是否被中断;
  • 在自旋中线程做的事:首先获取 node 的前驱节点 p ,如果 p 是头结点,也就是说 node 是第二个节点,并且尝试获取资源成功的话,将 node 节点设置为头结点,将对象 p 的后继节点,也就是之前的头结点置空,方便 GC 回收内存空间。
  • 将线程获取资源失败置为 false ,并返回未被中断的结果;
  • 如果没有获取到资源,那就在队列里等待,直到被 unpark() 。

未完待续

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