一行一行源码分析清楚 AbstractQueuedSynchronizer (二)

文章比较长,信息量比较大,建议在 pc 上阅读。文章标题是为了呼应前文,其实可以单独成文的,主要是希望读者看文章能系统看。写到后面,我都想给这篇文章取几个唬人的标题了,差点变成标题党,如:

  1. 深入理解 ReentrantLock 公平锁和非公平锁的区别
  2. 深入分析 AbstractQueuedSynchronizer 中的 ConditionObject
  3. 深入理解 java 线程中断和 InterruptedException 异常

基本上本文把以上几点都说清楚了,我假设读者看过上一篇文章中对 AbstractQueuedSynchronizer 的介绍 ,当然如果你已经熟悉 AQS 中的独占锁了,那也可以直接看这篇。各小节之间基本上没什么关系,大家可以只关注自己感兴趣的部分。

我想实现的目标:希望大家想看 java.util.concurrent.lock 源码分析的时候,直接看我的这两篇文章就可以了。所以,我可能还需要写第三篇文章,把共享模式详细分析下,然后介绍这个包剩余的几个类,同时把不在这个包里面的 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 等相关的类串讲一下。远期目标是把 concurrent 包中的所有类都介绍完,如果确定了不会实现这个目标,我会偷偷把这句话删除的😂。

aqs2-1

公平锁和非公平锁

ReentrantLock 默认采用非公平锁,除非你在构造方法中传入参数 true 。

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

公平锁的 lock 方法:

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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
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;
}
}

非公平锁的 lock 方法:

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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) {
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:

  1. 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。
  2. 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。

Condition

Tips: 这里重申一下,要看懂这个,必须要先看懂上一篇关于 AbstractQueuedSynchronizer 的介绍,或者你已经有相关的知识了,否则这节肯定是看不懂的。

我们先来看看 Condition 的使用场景,Condition 经常可以用在生产者-消费者的场景中,请看 Doug Lea 给出的这个例子:

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import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
// condition 依赖于 lock 来产生
final Condition notFull = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();
final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;
// 生产
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await(); // 队列已满,等待,直到 not full 才能继续生产
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal(); // 生产成功,队列已经 not empty 了,发个通知出去
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 消费
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await(); // 队列为空,等待,直到队列 not empty,才能继续消费
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal(); // 被我消费掉一个,队列 not full 了,发个通知出去
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

ArrayBlockingQueue 采用这种方式实现了生产者-消费者,所以请只把这个例子当做学习例子,实际生产中可以直接使用 ArrayBlockingQueue)

我们常用 obj.wait(),obj.notify() 或 obj.notifyAll() 来实现相似的功能,但是,它们是基于对象的监视器锁的。需要深入了解这几个方法的读者,可以参考我的另一篇文章《深入分析 java 8 编程语言规范:Threads and Locks》。而这里说的 Condition 是基于 ReentrantLock 实现的,而 ReentrantLock 是依赖于 AbstractQueuedSynchronizer 实现的。

在往下看之前,读者心里要有一个整体的概念。condition 是依赖于 ReentrantLock 的,不管是调用 await 进入等待还是 signal 唤醒,都必须获取到锁才能进行操作。

每个 ReentrantLock 实例可以通过调用多次 newCondition 产生多个 ConditionObject 的实例:

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final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}

我们首先来看下我们关注的 Condition 的实现类 AbstractQueuedSynchronizer 类中的 ConditionObject

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public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
// 条件队列的第一个节点
// 不要管这里的关键字 transient,是不参与序列化的意思
private transient Node firstWaiter;
// 条件队列的最后一个节点
private transient Node lastWaiter;
......

在上一篇介绍 AQS 的时候,我们有一个阻塞队列,用于保存等待获取锁的线程的队列。这里我们引入另一个概念,叫条件队列(condition queue),我画了一张简单的图用来说明这个。

这里的阻塞队列如果叫做同步队列(sync queue)其实比较贴切,不过为了和前篇呼应,我就继续使用阻塞队列了。记住这里的两个概念,阻塞队列条件队列

condition-2

这里,我们简单回顾下 Node 的属性:

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volatile int waitStatus; // 可取值CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;

prev 和 next 用于实现阻塞队列的双向链表,nextWaiter 用于实现条件队列的单向链表

基本上,把这张图看懂,你也就知道 condition 的处理流程了。所以,我先简单解释下这图,然后再具体地解释代码实现。

  1. 我们知道一个 ReentrantLock 实例可以通过多次调用 newCondition() 来产生多个 Condition 实例,这里对应 condition1 和 condition2。注意,ConditionObject 只有两个属性 firstWaiter 和 lastWaiter;
  1. 每个 condition 有一个关联的条件队列,如线程 1 调用 condition1.await() 方法即可将当前线程 1 包装成 Node 后加入到条件队列中,然后阻塞在这里,不继续往下执行,条件队列是一个单向链表;
  2. 调用 condition1.signal() 会将condition1 对应的条件队列的 firstWaiter 移到阻塞队列的队尾,等待获取锁,获取锁后 await 方法返回,继续往下执行。

我这里说的 1、2、3 是最简单的流程,没有考虑中断、signalAll、还有带有超时参数的 await 方法等,不过把这里弄懂是这节的主要目的。

同时,从图中也可以很直观地看出,哪些操作是线程安全的,哪些操作是线程不安全的。

这个图看懂后,下面的代码分析就简单了。

接下来,我们一步步按照流程来走代码分析,我们先来看看 wait 方法:

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// 首先,这个方法是可被中断的,不可被中断的是另一个方法 awaitUninterruptibly()
// 这个方法会阻塞,直到调用 signal 方法(指 signal() 和 signalAll(),下同),或被中断
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 添加到 condition 的条件队列中
Node node = addConditionWaiter();
// 释放锁,返回值是释放锁之前的 state 值
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
// 这里退出循环有两种情况,之后再仔细分析
// 1. isOnSyncQueue(node) 返回 true,即当前 node 已经转移到阻塞队列了
// 2. checkInterruptWhileWaiting(node) != 0 会到 break,然后退出循环,代表的是线程中断
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 被唤醒后,将进入阻塞队列,等待获取锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

其实,我大体上也把整个 await 过程说得十之八九了,下面我们分步把上面的几个点用源码说清楚。

1. 将节点加入到条件队列

addConditionWaiter() 是将当前节点加入到条件队列,看图我们知道,这种条件队列内的操作是线程安全的。

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// 将当前线程对应的节点入队,插入队尾
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// 如果条件队列的最后一个节点取消了,将其清除出去
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
// 这个方法会遍历整个条件队列,然后会将已取消的所有节点清除出队列
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
// 如果队列为空
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}

在addWaiter 方法中,有一个 unlinkCancelledWaiters() 方法,该方法用于清除队列中已经取消等待的节点。

当 await 的时候如果发生了取消操作(这点之后会说),或者是在节点入队的时候,发现最后一个节点是被取消的,会调用一次这个方法。

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// 等待队列是一个单向链表,遍历链表将已经取消等待的节点清除出去
// 纯属链表操作,很好理解,看不懂多看几遍就可以了
private void unlinkCancelledWaiters() {
Node t = firstWaiter;
Node trail = null;
while (t != null) {
Node next = t.nextWaiter;
// 如果节点的状态不是 Node.CONDITION 的话,这个节点就是被取消的
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
t.nextWaiter = null;
if (trail == null)
firstWaiter = next;
else
trail.nextWaiter = next;
if (next == null)
lastWaiter = trail;
}
else
trail = t;
t = next;
}
}

2. 完全释放独占锁

回到 wait 方法,节点入队了以后,会调用 int savedState = fullyRelease(node); 方法释放锁,注意,这里是完全释放独占锁,因为 ReentrantLock 是可以重入的。

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// 首先,我们要先观察到返回值 savedState 代表 release 之前的 state 值
// 对于最简单的操作:先 lock.lock(),然后 condition1.await()。
// 那么 state 经过这个方法由 1 变为 0,锁释放,此方法返回 1
// 相应的,如果 lock 重入了 n 次,savedState == n
// 如果这个方法失败,会将节点设置为"取消"状态,并抛出异常 IllegalMonitorStateException
final int fullyRelease(Node node) {
boolean failed = true;
try {
int savedState = getState();
// 这里使用了当前的 state 作为 release 的参数,也就是完全释放掉锁,将 state 置为 0
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}

3. 等待进入阻塞队列

释放掉锁以后,接下来是这段,这边会自旋,如果发现自己还没到阻塞队列,那么挂起,等待被转移到阻塞队列。

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int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 线程挂起
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}

isOnSyncQueue(Node node) 用于判断节点是否已经转移到阻塞队列了:

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// 在节点入条件队列的时候,初始化时设置了 waitStatus = Node.CONDITION
// 前面我提到,signal 的时候需要将节点从条件队列移到阻塞队列,
// 这个方法就是判断 node 是否已经移动到阻塞队列了
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
// 移动过去的时候,node 的 waitStatus 会置为 0,这个之后在说 signal 方法的时候会说到
// 如果 waitStatus 还是 Node.CONDITION,也就是 2,那肯定就是还在条件队列中
// 如果 node 的前驱 prev 指向还是 null,说明肯定没有在 阻塞队列
if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
return false;
// 如果 node 已经有后继节点 next 的时候,那肯定是在阻塞队列了
if (node.next != null)
return true;
// 这个方法从阻塞队列的队尾开始从后往前遍历找,如果找到相等的,说明在阻塞队列,否则就是不在阻塞队列
// 可以通过判断 node.prev() != null 来推断出 node 在阻塞队列吗?答案是:不能。
// 这个可以看上篇 AQS 的入队方法,首先设置的是 node.prev 指向 tail,
// 然后是 CAS 操作将自己设置为新的 tail,可是这次的 CAS 是可能失败的。
// 调用这个方法的时候,往往我们需要的就在队尾的部分,所以一般都不需要完全遍历整个队列的
return findNodeFromTail(node);
}
// 从同步队列的队尾往前遍历,如果找到,返回 true
private boolean findNodeFromTail(Node node) {
Node t = tail;
for (;;) {
if (t == node)
return true;
if (t == null)
return false;
t = t.prev;
}
}

回到前面的循环,isOnSyncQueue(node) 返回 false 的话,那么进到 LockSupport.park(this); 这里线程挂起。

4. signal 唤醒线程,转移到阻塞队列

为了大家理解,这里我们先看唤醒操作,因为刚刚到 LockSupport.park(this); 把线程挂起了,等待唤醒。

唤醒操作通常由另一个线程来操作,就像生产者-消费者模式中,如果线程因为等待消费而挂起,那么当生产者生产了一个东西后,会调用 signal 唤醒正在等待的线程来消费。

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// 唤醒等待了最久的线程
// 其实就是,将这个线程对应的 node 从条件队列转移到阻塞队列
public final void signal() {
// 调用 signal 方法的线程必须持有当前的独占锁
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
// 从条件队列队头往后遍历,找出第一个需要转移的 node
// 因为前面我们说过,有些线程会取消排队,但是还在队列中
private void doSignal(Node first) {
do {
// 将 firstWaiter 指向 first 节点后面的第一个
// 如果将队头移除后,后面没有节点在等待了,那么需要将 lastWaiter 置为 null
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
// 因为 first 马上要被移到阻塞队列了,和条件队列的链接关系在这里断掉
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
// 这里 while 循环,如果 first 转移不成功,那么选择 first 后面的第一个节点进行转移,依此类推
}
// 将节点从条件队列转移到阻塞队列
// true 代表成功转移
// false 代表在 signal 之前,节点已经取消了
final boolean transferForSignal(Node node) {
// CAS 如果失败,说明此 node 的 waitStatus 已不是 Node.CONDITION,说明节点已经取消,
// 既然已经取消,也就不需要转移了,方法返回,转移后面一个节点
// 否则,将 waitStatus 置为 0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
// enq(node): 自旋进入阻塞队列的队尾
// 注意,这里的返回值 p 是 node 在阻塞队列的前驱节点
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// ws > 0 说明 node 在阻塞队列中的前驱节点取消了等待锁,直接唤醒 node 对应的线程。唤醒之后会怎么样,后面再解释
// 如果 ws <= 0, 那么 compareAndSetWaitStatus 将会被调用,上篇介绍的时候说过,节点入队后,需要把前驱节点的状态设为 Node.SIGNAL(-1)
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
// 如果前驱节点取消或者 CAS 失败,会进到这里唤醒线程,之后的操作看下一节
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}

正常情况下,ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 这句中,ws <= 0,而且 compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 会返回 true,所以一般也不会进去 if 语句块中唤醒 node 对应的线程。然后这个方法返回 true,也就意味着 signal 方法结束了,节点进入了阻塞队列。

假设发生了阻塞队列中的前驱节点取消等待,或者 CAS 失败,只要唤醒线程,让其进到下一步即可。

5. 唤醒后检查中断状态

上一步 signal 之后,我们的线程由条件队列转移到了阻塞队列,之后就准备获取锁了。只要重新获取到锁了以后,继续往下执行。

等线程从挂起中恢复过来,继续往下看

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int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 线程挂起
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}

先解释下 interruptMode。interruptMode 可以取值为 REINTERRUPT(1),THROW_IE(-1),0

  • REINTERRUPT: 代表 await 返回的时候,需要重新设置中断状态
  • THROW_IE: 代表 await 返回的时候,需要抛出 InterruptedException 异常
  • 0 :说明在 await 期间,没有发生中断

有以下三种情况会让 LockSupport.park(this); 这句返回继续往下执行:

  1. 常规路劲。signal -> 转移节点到阻塞队列 -> 获取了锁(unpark)
  2. 线程中断。在 park 的时候,另外一个线程对这个线程进行了中断
  3. signal 的时候我们说过,转移以后的前驱节点取消了,或者对前驱节点的CAS操作失败了
  4. 假唤醒。这个也是存在的,和 Object.wait() 类似,都有这个问题

线程唤醒后第一步是调用 checkInterruptWhileWaiting(node) 这个方法,此方法用于判断是否在线程挂起期间发生了中断,如果发生了中断,是 signal 调用之前中断的,还是 signal 之后发生的中断。

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// 1. 如果在 signal 之前已经中断,返回 THROW_IE
// 2. 如果是 signal 之后中断,返回 REINTERRUPT
// 3. 没有发生中断,返回 0
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
return Thread.interrupted() ?
(transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
0;
}

Thread.interrupted():如果当前线程已经处于中断状态,那么该方法返回 true,同时将中断状态重置为 false,所以,才有后续的 重新中断(REINTERRUPT) 的使用。

看看怎么判断是 signal 之前还是之后发生的中断:

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// 只有线程处于中断状态,才会调用此方法
// 如果需要的话,将这个已经取消等待的节点转移到阻塞队列
// 返回 true:如果此线程在 signal 之前被取消,
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
// 用 CAS 将节点状态设置为 0
// 如果这步 CAS 成功,说明是 signal 方法之前发生的中断,因为如果 signal 先发生的话,signal 中会将 waitStatus 设置为 0
if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
// 将节点放入阻塞队列
// 这里我们看到,即使中断了,依然会转移到阻塞队列
enq(node);
return true;
}
// 到这里是因为 CAS 失败,肯定是因为 signal 方法已经将 waitStatus 设置为了 0
// signal 方法会将节点转移到阻塞队列,但是可能还没完成,这边自旋等待其完成
// 当然,这种事情还是比较少的吧:signal 调用之后,没完成转移之前,发生了中断
while (!isOnSyncQueue(node))
Thread.yield();
return false;
}

这里再说一遍,即使发生了中断,节点依然会转移到阻塞队列。

到这里,大家应该都知道这个 while 循环怎么退出了吧。要么中断,要么转移成功。

6. 获取独占锁

while 循环出来以后,下面是这段代码:

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if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;

由于 while 出来后,我们确定节点已经进入了阻塞队列,准备获取锁。

这里的 acquireQueued(node, savedState) 的第一个参数 node 之前已经经过 enq(node) 进入了队列,参数 savedState 是之前释放锁前的 state,这个方法返回的时候,代表当前线程获取了锁,而且 state == savedState了。

注意,前面我们说过,不管有没有发生中断,都会进入到阻塞队列,而 acquireQueued(node, savedState) 的返回值就是代表线程是否被中断。如果返回 true,说明被中断了,而且 interruptMode != THROW_IE,说明在 signal 之前就发生中断了,这里将 interruptMode 设置为 REINTERRUPT,用于待会重新中断。

继续往下:

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if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);

本着一丝不苟的精神,这边说说 node.nextWaiter != null 怎么满足。我前面也说了 signal 的时候会将节点转移到阻塞队列,有一步是 node.nextWaiter = null,将断开节点和条件队列的联系。

可是,在判断发生中断的情况下,是 signal 之前还是之后发生的? 这部分的时候,我也介绍了,如果 signal 之前就中断了,也需要将节点进行转移到阻塞队列,这部分转移的时候,是没有设置 node.nextWaiter = null 的。

之前我们说过,如果有节点取消,也会调用 unlinkCancelledWaiters 这个方法,就是这里了。

7. 处理中断状态

到这里,我们终于可以好好说下这个 interruptMode 干嘛用了。

  • 0:什么都不做。
  • THROW_IE:await 方法抛出 InterruptedException 异常
  • REINTERRUPT:重新中断当前线程
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private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
throws InterruptedException {
if (interruptMode == THROW_IE)
throw new InterruptedException();
else if (interruptMode == REINTERRUPT)
selfInterrupt();
}

为什么这么处理?这部分的知识在本文的最后一节

* 带超时机制的 await

经过前面的 7 步,整个 ConditionObject 类基本上都分析完了,接下来简单分析下带超时机制的 await 方法。

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public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
throws InterruptedException
public final boolean awaitUntil(Date deadline)
throws InterruptedException
public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException

这三个方法都差不多,我们就挑一个出来看看吧:

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public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
// 等待这么多纳秒
long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
// 当前时间 + 等待时长 = 过期时间
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
// 用于返回 await 是否超时
boolean timedout = false;
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 时间到啦
if (nanosTimeout <= 0L) {
// 这里因为要 break 取消等待了。取消等待的话一定要调用 transferAfterCancelledWait(node) 这个方法
// 如果这个方法返回 true,在这个方法内,将节点转移到阻塞队列成功
// 返回 false 的话,说明 signal 已经发生,signal 方法将节点转移了。也就是说没有超时嘛
timedout = transferAfterCancelledWait(node);
break;
}
// spinForTimeoutThreshold 的值是 1000 纳秒,也就是 1 毫秒
// 也就是说,如果不到 1 毫秒了,那就不要选择 parkNanos 了,自旋的性能反而更好
if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
// 得到剩余时间
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
return !timedout;
}

超时的思路还是很简单的,不带超时参数的 await 是 park,然后等待别人唤醒。而现在就是调用 parkNanos 方法来休眠指定的时间,醒来后判断是否 signal 调用了,调用了就是没有超时,否则就是超时了。超时的话,自己来进行转移到阻塞队列,然后抢锁。

* 不抛出 InterruptedException 的 await

关于 Condition 最后一小节了。

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public final void awaitUninterruptibly() {
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
boolean interrupted = false;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted())
interrupted = true;
}
if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
selfInterrupt();
}

很简单,我就不废话了。

AbstractQueuedSynchronizer 独占锁的取消排队

这篇文章说的是 AbstractQueuedSynchronizer,只不过好像 Condition 说太多了,赶紧把思路拉回来。

接下来,我想说说怎么取消对锁的竞争?

上篇文章提到过,最重要的方法是这个,我们要在这里面找答案:

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final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

首先,到这个方法的时候,节点一定是入队成功的。

我把 parkAndCheckInterrupt() 代码贴过来:

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private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

这两段代码联系起来看,是不是就清楚了。

如果我们要取消一个线程的排队,我们需要在另外一个线程中对其进行中断。比如某线程调用 lock() 老久不返回,我想中断它。一旦对其进行中断,此线程会从 LockSupport.park(this); 中唤醒,然后 Thread.interrupted(); 返回 true。

我们发现一个问题,即使是中断唤醒了这个线程,也就只是设置了 interrupted = true 然后继续下一次循环。而且,由于 Thread.interrupted(); 会清除中断状态,第二次进 parkAndCheckInterrupt 的时候,返回会是 false。

所以,我们要看到,在这个方法中,interrupted 只是用来记录是否发生了中断,然后用于方法返回值,其他没有做任何相关事情。

所以,我们看外层方法怎么处理 acquireQueued 返回 false 的情况。

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public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}

所以说,lock() 方法处理中断的方法就是,你中断归中断,我抢锁还是照样抢锁,几乎没关系,只是我抢到锁了以后,设置线程的中断状态而已,也不抛出任何异常出来。调用者获取锁后,可以去检查是否发生过中断,也可以不理会。


来条分割线。有没有被骗的感觉,我说了一大堆,可是和取消没有任何关系啊。

我们来看 ReentrantLock 的另一个 lock 方法:

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public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}

方法上多了个 throws InterruptedException ,经过前面那么多知识的铺垫,这里我就不再啰里啰嗦了。

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public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}

继续往里:

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private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 就是这里了,一旦异常,马上结束这个方法,抛出异常。
// 这里不再只是标记这个方法的返回值代表中断状态
// 而是直接抛出异常,而且外层也不捕获,一直往外抛到 lockInterruptibly
throw new InterruptedException();
}
} finally {
// 如果通过 InterruptedException 异常出去,那么 failed 就是 true 了
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

既然到这里了,顺便说说 cancelAcquire 这个方法吧:

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private void cancelAcquire(Node node) {
// Ignore if node doesn't exist
if (node == null)
return;
node.thread = null;
// Skip cancelled predecessors
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
// fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
// or signal, so no further action is necessary.
Node predNext = pred.next;
// Can use unconditional write instead of CAS here.
// After this atomic step, other Nodes can skip past us.
// Before, we are free of interference from other threads.
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// If we are the tail, remove ourselves.
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
// If successor needs signal, try to set pred's next-link
// so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}

到这里,我想我应该把取消排队这件事说清楚了吧。

再说 java 线程中断和 InterruptedException 异常

在之前的文章中,我们接触了大量的中断,这边算是个总结吧。如果你完全熟悉中断了,没有必要再看这节,本节为新手而写。

线程中断

首先,我们要明白,中断不是类似 linux 里面的命令 kill -9 pid,不是说我们中断某个线程,这个线程就停止运行了。中断代表线程状态,每个线程都关联了一个中断状态,是一个 true 或 false 的 boolean 值,初始值为 false。

关于中断状态,我们需要重点关注以下几个方法:

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// Thread 类中的实例方法,持有线程实例引用即可检测线程中断状态
public boolean isInterrupted() {}
// Thread 中的静态方法,检测调用这个方法的线程是否已经中断
// 注意:这个方法返回中断状态的同时,会将此线程的中断状态重置为 false
// 所以,如果我们连续调用两次这个方法的话,第二次的返回值肯定就是 false 了
public static boolean interrupted() {}
// Thread 类中的实例方法,用于设置一个线程的中断状态为 true
public void interrupt() {}

我们说中断一个线程,其实就是设置了线程的 interrupted status 为 true,至于说被中断的线程怎么处理这个状态,那是那个线程自己的事。如以下代码:

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while (!Thread.interrupted()) {
doWork();
System.out.println("我做完一件事了,准备做下一件,如果没有其他线程中断我的话");
}

当然,中断除了是线程状态外,还有其他含义,否则也不需要专门搞一个这个概念出来了。

如果线程处于以下三种情况,那么当线程被中断的时候,能自动感知到:

  1. 来自 Object 类的 wait()、wait(long)、wait(long, int),

    来自 Thread 类的 join()、join(long)、join(long, int)、sleep(long)、sleep(long, int)

    这几个方法的相同之处是,方法上都有: throws InterruptedException

    如果线程阻塞在这些方法上(我们知道,这些方法会让当前线程阻塞),这个时候如果其他线程对这个线程进行了中断,那么这个线程会从这些方法中立即返回,抛出 InterruptedException 异常,同时重置中断状态为 false。

  2. 实现了 InterruptibleChannel 接口的类中的一些 I/O 阻塞操作,如 DatagramChannel 中的 connect 方法和 receive 方法等

    如果线程阻塞在这里,中断线程会导致这些方法抛出 ClosedByInterruptException 并重置中断状态。

  3. Selector 中的 select 方法,这个有机会我们在讲 NIO 的时候说

    一旦中断,方法立即返回

对于以上 3 种情况是最特殊的,因为他们能自动感知到中断(这里说自动,当然也是基于底层实现),并且在做出相应的操作后都会重置中断状态为 false

那是不是只有以上 3 种方法能自动感知到中断呢?不是的,如果线程阻塞在 LockSupport.park(Object obj) 方法,也叫挂起,这个时候的中断也会导致线程唤醒,但是唤醒后不会重置中断状态,所以唤醒后去检测中断状态将是 true。

InterruptedException 概述

它是一个特殊的异常,不是说 JVM 对其有特殊的处理,而是它的使用场景比较特殊。通常,我们可以看到,像 Object 中的 wait() 方法,ReentrantLock 中的 lockInterruptibly() 方法,Thread 中的 sleep() 方法等等,这些方法都带有 throws InterruptedException,我们通常称这些方法为阻塞方法(blocking method)。

阻塞方法一个很明显的特征是,它们需要花费比较长的时间(不是绝对的,只是说明时间不可控),还有它们的方法结束返回往往依赖于外部条件,如 wait 方法依赖于其他线程的 notify,lock 方法依赖于其他线程的 unlock等等。

当我们看到方法上带有 throws InterruptedException 时,我们就要知道,这个方法应该是阻塞方法,我们如果希望它能早点返回的话,我们往往可以通过中断来实现。

除了几个特殊类(如 Object,Thread等)外,感知中断并提前返回是通过轮询中断状态来实现的。我们自己需要写可中断的方法的时候,就是通过在合适的时机(通常在循环的开始处)去判断线程的中断状态,然后做相应的操作(通常是方法直接返回或者抛出异常)。当然,我们也要看到,如果我们一次循环花的时间比较长的话,那么就需要比较长的时间才能注意到线程中断了。

处理中断

一旦中断发生,我们接收到了这个信息,然后怎么去处理中断呢?本小节将简单分析这个问题。

我们经常会这么写代码:

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try {
Thread.sleep(10000);
} catch (InterruptedException e) {
// ignore
}
// go on

当 sleep 结束继续往下执行的时候,我们往往都不知道这块代码是真的 sleep 了 10 秒,还是只休眠了 1 秒就被中断了。这个代码的问题在于,我们将这个异常信息吞掉了。(对于 sleep 方法,我相信大部分情况下,我们都不在意是否是中断了,这里是举例)

AQS 的做法很值得我们借鉴,我们知道 ReentrantLock 有两种 lock 方法:

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public void lock() {
sync.lock();
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}

前面我们提到过,lock() 方法不响应中断。如果 thread1 调用了 lock() 方法,过了很久还没抢到锁,这个时候 thread2 对其进行了中断,thread1 是不响应这个请求的,它会继续抢锁,当然它不会把“被中断”这个信息扔掉。我们可以看以下代码:

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public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 我们看到,这里也没做任何特殊处理,就是记录下来中断状态。
// 这样,如果外层方法需要去检测的时候,至少我们没有把这个信息丢了
selfInterrupt();// Thread.currentThread().interrupt();
}

而对于 lockInterruptibly() 方法,因为其方法上面有 throws InterruptedException ,这个信号告诉我们,如果我们要取消线程抢锁,直接中断这个线程即可,它会立即返回,抛出 InterruptedException 异常。

在并发包中,有非常多的这种处理中断的例子,提供两个方法,分别为响应中断和不响应中断,对于不响应中断的方法,记录中断而不是丢失这个信息。如 Condition 中的两个方法就是这样的:

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void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();

通常,如果方法会抛出 InterruptedException 异常,往往方法体的第一句就是:

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public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
......
}

我相信,清楚并熟练使用中断,对于我们写出优雅的代码是有帮助的,也有助于我们分析别人的源码。

参考:https://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp05236/index.html

翻译:https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp05236.html

总结

这部分就留着读者吧,希望读者看完有所收获。