一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer

在分析java并发包java.util.concurrent源码的时候,少不了需要了解AbstractQueuedSynchronizer(以下简写AQS)这个抽象类,因为它是java并发包的基础工具类,是实现ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask等类的基础。

Google一下AbstractQueuedSynchronizer,我们可以找到很多关于AQS的介绍,但是很多都没有介绍清楚,因为大部分文章没有把其中的一些关键的细节说清楚。

本文将从ReentrantLock的公平锁源码出发,分析下AbstractQueuedSynchronizer这个类是怎么工作的,希望能给大家提供一些简单的帮助。

申明以下几点:

  1. 本文有点长,但是很简单很简单很简单,主要面向读者对象为并发编程的初学者,或者想要阅读java并发包源码的开发者。
  2. 建议在电脑上阅读,如果你想好好地理解所有的细节,而且你从来没看过相关的分析,你可能至少需要20分钟仔细看所有的描述,本文后面的1/3以上很简单,前面的1/4更简单,中间的部分要好好看。
  3. 如果你不知道为什么要看这个,我想告诉你,即使你看懂了所有的细节,你可能也不能把你的业务代码写得更好
  4. 源码环境JDK1.7,看到不懂或有疑惑的部分,最好能自己打开源码看看。Doug Lea大神的代码写得真心不错。
  5. 有很多英文注释我没有删除,这样读者可以参考着英文说的来,万一被我忽悠了呢
  6. 本文不分析共享模式,这样可以给读者减少很多负担,只要把独占模式看懂,共享模式读者应该就可以顺着代码看懂了。而且也不分析condition部分,所以应该说很容易就可以看懂了。
  7. 本文大量使用我们平时用得最多的ReentrantLock的概念,本质上来说是不正确的,读者应该清楚,AQS不仅仅用来实现锁,只是希望读者可以用锁来联想AQS的使用场景,降低读者的阅读压力
  8. ReentrantLock的公平锁和非公平锁只有一点点区别,没有任何阅读压力
  9. 你需要提前知道什么是CAS(CompareAndSet)

废话结束,开始。

AQS结构

先来看看AQS有哪些属性,搞清楚这些基本就知道AQS是什么套路了,毕竟可以猜嘛!

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// 头结点,你直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点,每个新的节点进来,都插入到最后,也就形成了一个隐视的链表
private transient volatile Node tail;
// 这个是最重要的,不过也是最简单的,代表当前锁的状态,0代表没有被占用,大于0代表有线程持有当前锁
// 之所以说大于0,而不是等于1,是因为锁可以重入嘛,每次重入都加上1
private volatile int state;
// 代表当前持有独占锁的线程,举个最重要的使用例子,因为锁可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次,所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer

怎么样,看样子应该是很简单的吧,毕竟也就四个属性啊。

AbstractQueuedSynchronizer的等待队列示意如下所示,注意了,之后分析过程中所说的queue,也就是阻塞队列不包含head,不包含head,不包含head。

aqs-0

等待队列中每个线程被包装成一个node,数据结构是链表,一起看看源码吧:

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static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
// 标识节点当前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
// 标识节点当前在独占模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 代码此线程取消了争抢这个锁
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是,其表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition,所以略过吧
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 同样的不分析,略过吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值为上面的1、-1、-2、-3,或者0(以后会讲到)
// 这么理解,暂时只需要知道如果这个值 大于0 代表此线程取消了等待,
// 也许就是说半天抢不到锁,不抢了,ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驱节点的引用
volatile Node prev;
// 后继节点的引用
volatile Node next;
// 这个就是线程本尊
volatile Thread thread;
}

Node的数据结构其实也挺简单的,就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性而已,大家先要有这个概念在心里。

上面的是基础知识,后面会多次用到,心里要时刻记着它们,心里想着这个结构图就可以了。下面,我们开始说ReentrantLock的公平锁。多嘴一下,我说的阻塞队列不包含head节点。

aqs-0

首先,我们先看下ReentrantLock的使用方式。

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// 我用个web开发中的service概念吧
public class OrderService {
// 使用static,这样每个线程拿到的是同一把锁,当然,spring mvc中service默认就是单例,别纠结这个
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
public void createOrder() {
// 比如我们同一时间,只允许一个线程创建订单
reentrantLock.lock();
// 通常,lock 之后紧跟着 try 语句
try {
// 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程),
// 其他的线程在lock()方法上阻塞,等待获取到锁,再进来
// 执行代码...
// 执行代码...
// 执行代码...
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}
}
}

ReentrantLock在内部用了内部类Sync来管理锁,所以真正的获取锁和释放锁是由Sync的实现类来控制的。

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abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}

Sync有两个实现,分别为NonfairSync(非公平锁)和FairSync(公平锁),我们看FairSync部分。

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public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

线程抢锁

很多人肯定开始嫌弃上面废话太多了,下面跟着代码走,我就不废话了。

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static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 争锁
final void lock() {
acquire(1);
}
// 来自父类AQS,我直接贴过来这边,下面分析的时候同样会这样做,不会给读者带来阅读压力
// 我们看到,这个方法,如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
// 否则,acquireQueued方法会将线程压到队列中
public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
// 首先调用tryAcquire(1)一下,名字上就知道,这个只是试一试
// 因为有可能直接就成功了呢,也就不需要进队列排队了,
// 对于公平锁的语义就是:本来就没人持有锁,根本没必要进队列等待(又是挂起,又是等待被唤醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)没有成功,这个时候需要把当前线程挂起,放到阻塞队列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 尝试直接获取锁,返回值是boolean,代表是否获取到锁
// 返回true:1.没有线程在等待锁;2.重入锁,线程本来就持有锁,也就可以理所当然可以直接获取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此时此刻没有线程持有锁
if (c == 0) {
// 虽然此时此刻锁是可以用的,但是这是公平锁,既然是公平,就得讲究先来后到,
// 看看有没有别人在队列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有线程在等待,那就用CAS尝试一下,成功了就获取到锁了,
// 不成功的话,只能说明一个问题,就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 =_=
// 因为刚刚还没人的,我判断过了😂😂😂
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到这里就是获取到锁了,标记一下,告诉大家,现在是我占用了锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 会进入这个else if分支,说明是重入了,需要操作:state=state+1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 如果到这里,说明前面的if和else if都没有返回true,说明没有获取到锁
// 回到上面一个外层调用方法继续看:
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
return false;
}
// 假设tryAcquire(arg) 返回false,那么代码将执行:
// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg),
// 这个方法,首先需要执行:addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
// 此方法的作用是把线程包装成node,同时进入到队列中
// 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE,代表独占模式
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 以下几行代码想把当前node加到链表的最后面去,也就是进到阻塞队列的最后
Node pred = tail;
// tail!=null => 队列不为空(tail==head的时候,其实队列是空的,不过不管这个吧)
if (pred != null) {
// 设置自己的前驱 为当前的队尾节点
node.prev = pred;
// 用CAS把自己设置为队尾, 如果成功后,tail == node了
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 进到这里说明设置成功,当前node==tail, 将自己与之前的队尾相连,
// 上面已经有 node.prev = pred
// 加上下面这句,也就实现了和之前的尾节点双向连接了
pred.next = node;
// 线程入队了,可以返回了
return node;
}
}
// 仔细看看上面的代码,如果会到这里,
// 说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队)
// 读者一定要跟上思路,如果没有跟上,建议先不要往下读了,往回仔细看,否则会浪费时间的
enq(node);
return node;
}
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
// 采用自旋的方式入队
// 之前说过,到这个方法只有两种可能:等待队列为空,或者有线程竞争入队,
// 自旋在这边的语义是:CAS设置tail过程中,竞争一次竞争不到,我就多次竞争,总会排到的
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 之前说过,队列为空也会进来这里
if (t == null) { // Must initialize
// 初始化head节点
// 细心的读者会知道原来head和tail初始化的时候都是null,反正我不细心
// 还是一步CAS,你懂的,现在可能是很多线程同时进来呢
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 给后面用:这个时候head节点的waitStatus==0, 看new Node()构造方法就知道了
// 这个时候有了head,但是tail还是null,设置一下,
// 把tail指向head,放心,马上就有线程要来了,到时候tail就要被抢了
// 注意:这里只是设置了tail=head,这里可没return哦,没有return,没有return
// 所以,设置完了以后,继续for循环,下次就到下面的else分支了
tail = head;
} else {
// 下面几行,和上一个方法 addWaiter 是一样的,
// 只是这个套在无限循环里,反正就是将当前线程排到队尾,有线程竞争的话排不上重复排
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
// 现在,又回到这段代码了
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
// 下面这个方法,参数node,经过addWaiter(Node.EXCLUSIVE),此时已经进入阻塞队列
// 注意一下:如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的话,
// 意味着上面这段代码将进入selfInterrupt(),所以正常情况下,下面应该返回false
// 这个方法非常重要,应该说真正的线程挂起,然后被唤醒后去获取锁,都在这个方法里了
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// p == head 说明当前节点虽然进到了阻塞队列,但是是阻塞队列的第一个,因为它的前驱是head
// 注意,阻塞队列不包含head节点,head一般指的是占有锁的线程,head后面的才称为阻塞队列
// 所以当前节点可以去试抢一下锁
// 这里我们说一下,为什么可以去试试:
// 首先,它是队头,这个是第一个条件,其次,当前的head有可能是刚刚初始化的node,
// enq(node) 方法里面有提到,head是延时初始化的,而且new Node()的时候没有设置任何线程
// 也就是说,当前的head不属于任何一个线程,所以作为队头,可以去试一试,
// tryAcquire已经分析过了, 忘记了请往前看一下,就是简单用CAS试操作一下state
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 到这里,说明上面的if分支没有成功,要么当前node本来就不是队头,
// 要么就是tryAcquire(arg)没有抢赢别人,继续往下看
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* Checks and updates status for a node that failed to acquire.
* Returns true if thread should block. This is the main signal
* control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
*/
// 刚刚说过,会到这里就是没有抢到锁呗,这个方法说的是:"当前线程没有抢到锁,是否需要挂起当前线程?"
// 第一个参数是前驱节点,第二个参数才是代表当前线程的节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 前驱节点的 waitStatus == -1 ,说明前驱节点状态正常,当前线程需要挂起,直接可以返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
// 前驱节点 waitStatus大于0 ,之前说过,大于0 说明前驱节点取消了排队。这里需要知道这点:
// 进入阻塞队列排队的线程会被挂起,而唤醒的操作是由前驱节点完成的。
// 所以下面这块代码说的是将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点,
// 简单说,就是为了找个好爹,因为你还得依赖它来唤醒呢,如果前驱节点取消了排队,
// 找前驱节点的前驱节点做爹,往前循环总能找到一个好爹的
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.
*/
// 仔细想想,如果进入到这个分支意味着什么
// 前驱节点的waitStatus不等于-1和1,那也就是只可能是0,-2,-3
// 在我们前面的源码中,都没有看到有设置waitStatus的,所以每个新的node入队时,waitStatu都是0
// 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
// private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
// 这个方法结束根据返回值我们简单分析下:
// 如果返回true, 说明前驱节点的waitStatus==-1,是正常情况,那么当前线程需要被挂起,等待以后被唤醒
// 我们也说过,以后是被前驱节点唤醒,就等着前驱节点拿到锁,然后释放锁的时候叫你好了
// 如果返回false, 说明当前不需要被挂起,为什么呢?往后看
// 跳回到前面是这个方法
// if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// parkAndCheckInterrupt())
// interrupted = true;
// 1. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true,
// 那么需要执行parkAndCheckInterrupt():
// 这个方法很简单,因为前面返回true,所以需要挂起线程,这个方法就是负责挂起线程的
// 这里用了LockSupport.park(this)来挂起线程,然后就停在这里了,等待被唤醒=======
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
// 2. 接下来说说如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的情况
// 仔细看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node),我们可以发现,其实第一次进来的时候,一般都不会返回true的,原因很简单,前驱节点的waitStatus=-1是依赖于后继节点设置的。也就是说,我都还没给前驱设置-1呢,怎么可能是true呢,但是要看到,这个方法是套在循环里的,所以第二次进来的时候状态就是-1了。
// 解释下为什么shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的时候不直接挂起线程:
// => 是为了应对在经过这个方法后,node已经是head的直接后继节点了。剩下的读者自己想想吧。
}

说到这里,也就明白了,多看几遍final boolean acquireQueued(final Node node, int arg)这个方法吧。自己推演下各个分支怎么走,哪种情况下会发生什么,走到哪里。

解锁操作

最后,就是还需要介绍下唤醒的动作了。我们知道,正常情况下,如果线程没获取到锁,线程会被LockSupport.park(this);挂起停止,等待被唤醒。

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// 唤醒的代码还是比较简单的,你如果上面加锁的都看懂了,下面都不需要看就知道怎么回事了
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 往后看吧
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否完全释放锁
boolean free = false;
// 其实就是重入的问题,如果c==0,也就是说没有嵌套锁了,可以释放了,否则还不能释放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
/**
* Wakes up node's successor, if one exists.
*
* @param node the node
*/
// 唤醒后继节点
// 从上面调用处知道,参数node是head头结点
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
// 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
// 下面的代码就是唤醒后继节点,但是有可能后继节点取消了等待(waitStatus==1)
// 从队尾往前找,找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从后往前找,仔细看代码,不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}

唤醒线程以后,被唤醒的线程将从以下代码中继续往前走:

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private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 刚刚线程被挂起在这里了
return Thread.interrupted();
}
// 又回到这个方法了:acquireQueued(final Node node, int arg),这个时候,node的前驱是head了

好了,后面就不分析源码了,剩下的还有问题自己去仔细看看代码吧。

总结

总结一下吧。

在并发环境下,加锁和解锁需要以下三个部件的协调:

  1. 锁状态。我们要知道锁是不是被别的线程占有了,这个就是state的作用,它为0的时候代表没有线程占有锁,可以去争抢这个锁,用CAS将state设为1,如果CAS成功,说明抢到了锁,这样其他线程就抢不到了,如果锁重入的话,state进行+1就可以,解锁就是减1,直到state又变为0,代表释放锁,所以lock()和unlock()必须要配对啊。然后唤醒等待队列中的第一个线程,让其来占有锁。
  2. 线程的阻塞和解除阻塞。AQS中采用了LockSupport.park(thread) 来挂起线程,用unpark来唤醒线程。
  3. 阻塞队列。因为争抢锁的线程可能很多,但是只能有一个线程拿到锁,其他的线程都必须等待,这个时候就需要一个queue来管理这些线程,AQS用的是一个FIFO的队列,就是一个链表,每个node都持有后继节点的引用。AQS采用了CLH锁的变体来实现,感兴趣的读者可以参考这篇文章关于CLH的介绍,写得简单明了: http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577

示例图解析

下面属于回顾环节,用简单的示例来说一遍,如果上面的有些东西没看懂,这里还有一次帮助你理解的机会。

首先,第一个线程调用reentrantLock.lock(),翻到最前面可以发现,tryAcquire(1) 直接就返回true了,结束。只是设置了state=1,连head都没有初始化,更谈不上什么阻塞队列了。要是线程1调用unlock()了,才有线程2来,那世界就太太太平了,完全没有交集嘛,那我还要AQS干嘛。

如果线程1没有调用unlock()之前,线程2调用了lock(), 想想会发生什么?

线程2会初始化head【new Node()】,同时线程2也会插入到阻塞队列并挂起 (注意看这里是一个for循环,而且设置head和tail的部分是不return的,只有入队成功才会跳出循环)

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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;
}
}
}
}

首先,是线程2初始化head节点,此时head==tail, waitStatus==0

aqs-1

然后线程2入队:

aqs-2

同时我们也要看此时节点的waitStatus,我们知道head节点是线程2初始化的,此时的waitStatus没有设置,java默认会设置为0,但是到shouldParkAfterFailedAcquire这个方法的时候,线程2会把前驱节点,也就是head的waitStatus设置为-1。

那线程2节点此时的waitStatus是多少呢,由于没有设置,所以是0;

如果线程3此时再进来,直接插到线程2的后面就可以了,此时线程3的waitStatus是0,到shouldParkAfterFailedAcquire方法的时候把前驱节点线程2的waitStatus设置为-1。

aqs-3

这里可以简单说下waitStatus中SIGNAL(-1)状态的意思,Doug Lea注释的是:代表后继节点需要被唤醒。也就是说这个waitStatus其实代表的不是自己的状态,而是后继节点的状态,我们知道,每个node在入队的时候,都会把前驱节点的状态改为SIGNAL,然后阻塞,等待被前驱唤醒。这里涉及的是两个问题:有线程取消了排队、唤醒操作。其实本质是一样的,读者也可以顺着“waitStatus代表后继节点的状态”这种思路去看一遍源码。

(全文完)