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关于aqs:AQS底层原理

jiezi

LockSupport

LockSupport 是线程期待唤醒机制（wait/notify）的改进版本。LockSupport 中的 park() 和 unpark() 的作用别离是阻塞线程和接触阻塞线程。

3 种让线程期待和唤醒的办法（线程通信）

形式 1：应用 Object 中的 wait()办法让线程期待，notify()办法唤醒线程

synchronized + wait + notify

形式 1：应用 Object 中的 wait()办法让线程期待，notify()办法唤醒线程
static Object objectLock = new Object(); // 创立锁

public static void main(String[] args) {

    // 创立 A 线程，进入后打印，并阻塞。new Thread(() -> {synchronized (objectLock) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进来了！");
            objectLock.wait();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被唤醒！");
        }
    }, "A").start();

    // 创立 B 线程，用于唤醒
    new Thread(() -> {synchronized (objectLock) {objectLock.notify();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "告诉！");
        }
    }, "B").start();}

wait、notify 的限度：

  • 咱们发现 wait 和 notify 如果不在一个代码块外面，必须与 synchronized 搭配应用，否则会报错。
  • 如果咱们先应用 notify、再应用 wait，因为 wait 是后执行了，所以 不能被唤醒。
形式 2：应用 JUC 包中 Condition 的 await()办法让线程期待，signal()办法唤醒线程

Lock + await + signal

// 创立 Lock 对象，失去 condition
static Lock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();

public static void main(String[] args) {

    // 创立 A 线程，用 await 办法阻塞
    new Thread(() -> {lock.lock();
        try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进来了！");
            condition.await();} finally {lock.unlock();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被唤醒！");
    }, "A").start();

    // 创立 B 线程，用于唤醒
    new Thread(() -> {lock.lock();
        try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "告诉！");
            condition.signal();} finally {lock.unlock();
        }
    }, "B").start();}

await、signal 的限度：

  • 和 wait、notify 的问题截然不同，他们的底层机制是一样的。
形式 3：LockSupport 类能够阻塞以后线程以及唤醒指定被阻塞的线程

park + unpark，每个线程都有一个“许可证”，只有 0 和 1，默认为 0。unpark(Thread t) 办法发放许可证，没许可证就不容许放行。

public static void main(String[] args) {// 创立 A 线程，用 park()办法阻塞
    Thread a = new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进来了！");

        LockSupport.park();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被唤醒！");
    }, "A");
    a.start();

    // 创立 B 线程，用于唤醒
    Thread b = new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "告诉！");
        // 唤醒指定线程
        LockSupport.unpark(a);
    }, "B");
    b.start();}

LockSupport 的劣势：

  • 既不必 synchronized 或 Lock。
  • 先唤醒，再阻塞，也可能被唤醒。因为线程曾经有了 “许可证” 了，所以 park()办法相当于没执行。

park 底层调用了 unsafe 类的 park 本地办法。

UNSAFE.park(false, 0L);

调用一次 unpark 就加 1，变为 1。调用一次 park 会生产许可证，变回 0。反复调用 unpark 不会积攒凭证。

AQS 实践

  • AQS（AbstractQueuedSynchronizer），形象的队列同步器。ReentrantLock 类里，有一个外部类 Sync 就是继承的 AQS 类。
  • AQS 是用来构建锁 或者 其余同步器组件的 重量级根底框架及整个 JUC 体系的基石 。通过内置的 FIFO 队列 来实现资源获取线程的排队工作，并通过一个 int 类型变量 示意持有锁的状态。

AQS 的作用

和 AQS 无关的：ReentrantLock、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock、Semaphore……

锁和同步器的关系：

  • 锁，面向锁的使用者。
  • 同步器，面向锁的实现者。

如果共享资源被占用，就须要肯定的 阻塞期待唤醒机制来保障锁的调配 。这个机制次要用的是 CLH 队列 的变体实现的，将临时获取不到锁的线程退出到队列中，这个队列就是 AQS 的形象体现。它将申请共享资源的线程封装成 队列的结点（Node），通过 CAS 自旋以及 LockSupport.park() 的形式，保护 state 变量的状态，使并发达到同步的管制成果。

AQS 源码体系

AQS 应用一个 volatile 的 int 类型的成员变量来示意同步状态，通过内置的 FIFO 队列来实现资源获取的排队，将每条要去抢占资源的线程封装成一个 Node 结点来实现锁的调配，通过 CAS 实现对 State 值的批改。

  • 示意同步状态的 int 成员变量
private volatile int state;

state 为 0 就是没人占用，能够去获取资源。大于等于 1，有人占用资源，须要排队。

  • CLH 队列

CLH 队列，是一个双向队列。通过自旋期待，state 变量判断是否阻塞。

外部类 Node 作为载体，装的是须要排队的线程。

  • 外部类 Node

队列中每一个排队的个体就是一个 Node。Node 有前结点prev、后结点next、头指针head、尾指针tail，用于实现双向队列。

Node 类里有两个模式：SHARED（示意线程以共享的模式期待锁）、EXCLUSIVE（示意线程以独占的形式期待锁）

类中也有一个 int 类型的状态变量 waitStatus。意思是等待区其余线程的期待状态。

volatile int waitStatus;

从 ReentrantLock 开始解读 AQS

ReentrantLock 类中有个子类 Sync 继承了 AQS 类，NonfairSync 类和 FairSync 继承了 Sync 类。

new 一个 ReentrantLock 类时，不传参数默认是非偏心锁（NonfairSync），传入 true 是偏心锁（FairSync）

偏心锁和非偏心锁实现办法的惟一区别就在于：偏心锁在获取同步状态时多了一个限度条件：hasQueuePredecessors()。

这个是偏心锁加锁时判断期待队列中是否存在无效节点的办法。因为偏心锁是先排先得。

  • 偏心锁：考究先来先到，线程在获取锁时，如果期待队列中以及有线程在期待，那么以后线程就会进入期待队列中。
  • 非偏心锁：不论是否有期待队列，都会去尝试取得锁。

AQS 非偏心锁就是，一来就先去插队，如果插队失败，才去乖乖的排队。

银行办理业务案例

public static void main(String[] args) {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 带入一个银行办理业务的案例来模仿咱们的 AQS 如果进行线程的治理和告诉唤醒机制

    // 3 个线程模仿 3 个来银行，受理窗口办理业务的顾客

    // A 顾客就是第一个顾客，此时手里窗口没有任何人，A 能够间接去办理
    new Thread(() -> {lock.lock();
        try {System.out.println("A 线程 进入");

            // 办理 20 分钟
            TimeUnit.MINUTES.sleep(20);

        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
        } finally {lock.unlock();
        }
    }, "A").start();

    // B 顾客，因为窗口只有一个（只能一个线程持有锁），B 只能期待，进入候客区
    new Thread(() -> {lock.lock();
        try {System.out.println("B 线程 进入");
        } finally {lock.unlock();
        }
    }, "B").start();

    // C 顾客，进入候客区（当 A 办理实现后，会与 B 去抢）new Thread(() -> {lock.lock();
        try {System.out.println("C 线程 进入");
        } finally {lock.unlock();
        }
    }, "C").start();}

整个 ReentrantLock 的加锁过程，能够分为三个阶段：

  1. 尝试加锁
  2. 加锁失败，线程进入 AQS 队列
  3. 线程进入队列后，进入阻塞状态

lock()上锁

调用的是 sync 类的 lock() 办法。

如果是 FairSync：

final void lock() {acquire(1);
}

如果是 NonfairSync：

/*
    底层是 unsafe 类，尝试用 CAS 取得锁，胜利后设置这个线程领有拜访权限。否则调用 acquire
*/
final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}
/*
    unsafe 类的办法，传入(0,1)，如果这个对象的内存偏移量的地位，expect 如果为 0，就为改为 1
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
} 

//CAS 批改胜利后，通过 AbstractOwnableSynchronizer 类的 setExclusiveOwnerThread 办法，把 exclusiveOwnerThread 线程设为以后线程。

当第一个顾客发现没人窗口没人后，开始办理业务。state 变为 1，占用顾客的线程是 currentThread。

第一个客户曾经占用了窗口，没那么快实现。第二个客户也调用 lock()办法，发现窗口被占用，只能去排队：

public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();}
// 外面的 addWaiter 办法、tryAcquire 办法、acquireQueue 办法都是重点
  • AQS 的 tryAcquire 办法

咱们进入 tryAcquire 办法发现没有逻辑代码，间接抛出异样。这就是典型的 模板办法设计模式。意思是所有子类必须实现这个办法，不实现父类就抛出异样。

protected boolean tryAcquire(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
}

而后发现 ReentrantLock 的 外部类 NofairSync 重写了这个办法：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);
}

这个办法其实调用的是外部类Sync 的 nonfairTryAcquire 办法。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();    // 须要排队的第二位顾客
    int c = getState();        // 获取以后窗口的状态 state（0 闲暇，1 占用）// 如果运气十分的好，窗口凑巧闲暇了，就 CAS 扭转状态，把窗口的线程设为本人。if (c == 0) {if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    
    // 如果以后线程 等于 正在办理业务的线程（阐明取得了屡次锁，是可重入锁的实践）else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {    
        int nextc = c + acquires;        // nextc 为以后状态加 1
        if (nextc < 0) // overflow（溢出）throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);                // 设置状态变量 state
        return true;
    }
    return false;
}

咱们传入的第二位顾客再次发现，有人在办理业务，返回 false。

在 acquire 办法中 !tryAcquire(arg) 取反为 true，持续判断上面的办法。

  • AQS 的 addWaiter 办法

acquire 传入的是 Node.EXCLUSIVE 参数（结点的模式）；结点进入队列。

 private Node addWaiter(Node mode) {
    // 结构 Node 结点（以后线程，模式）Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);    
     
    // 获取 Node 的尾结点，如果为 null，阐明队列没有结点。Node pred = tail;
    
    // 当第三个顾客进入的时候，等待区曾经有结点了，执行这个代码块。和 enq 办法类似，尾插法。if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    
    // 如果队列没有结点，调用 enq 办法筹备进入队列
    enq(node);
    return node;
}

enq 办法（将节点插入队列）：

private Node enq(final Node node) {
    // 相当于自旋
    for (;;) {
        Node t = tail;        // t 是尾指针
        
        // 如果尾指针为 null，阐明队列无结点，进行初始化
        if (t == null) { 
            /*    第一个结点并不是咱们传入的结点，而是零碎 new 了一个结点作为占位符。这个结点 Thread=null，waitStatus=0，是傀儡结点又称哨兵结点，用于占位。*/
            if (compareAndSetHead(new Node()))    
                tail = head;
        
        // 队列有结点后，持续循环，进入上面这个代码块（尾插法，结点的尾、前、后结点都设置好）} else {
            // 传入结点的前一个指针指向尾结点
            node.prev = t;
            // 尾指针 指向 传入的节点
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;    // 尾结点的下一个节点是 传入的节点
                return t;        // 返回新插入的尾结点
            }
        }
    }
}
  • AQS 的 acquireQueued 办法

传入的参数是 (addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {final Node p = node.predecessor();    // 传入结点的上一个结点 
            
            // 如果前结点 == 哨兵结点 && 再看窗口是否抢占，失败就 false。if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 头结点指向以后节点，节点 Thread=null，prev=null，即以后节点变成了新的哨兵结点
                setHead(node);    
                // 原哨兵结点的 next=null，没有连贯了，会被 GC 回收
                p.next = null; 
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 抢占失败后是否 park 阻塞
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
            
            /*
                这时自旋锁，抢占又失败后，持续进入 shouldParkAfterFailedAcquire 办法，因为第一次循环曾经将前结点的 waitStatus 的值改为 -1，所以返回 true。而后进入 parkAndCheckInterrupt 办法。*/
            
            /* 
           锁被开释，其余线程被唤醒后！parkAndCheckInterrupt()返回 false，持续自旋！B 线程的前结点就是哨兵结点，执行 tryAcquire 办法，因为 A 线程走了，所以胜利抢占！返回 true   
            */
        }
    } finally {if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

shouldParkAfterFailedAcquire 办法：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;    // 查看前结点的 waitStatus 状态
    
    //SIGNAL 值固定为 -1
    // 如果是 SIGNAL 状态，即期待中，间接返回 true。if (ws == Node.SIGNAL)        
        return true;
     
    //waitStatus 大于 0 阐明是 CANCELLED 状态
    if (ws > 0) {
        do {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
        
    } else {
        // 把前结点的 waitStatus 值改为 -1，用于后续唤醒操作
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);    
    }
    return false;
}

parkAndCheckInterrupt 办法：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 阻塞这个线程！这时能够认为曾经坐在期待区了。LockSupport.park(this);            
    
    // 线程被唤醒后，不被阻塞，这里就返回 false
    return Thread.interrupted();}

此时这个 acquireQueued 办法还没有完结，会被卡在 parkAndCheckInterrupt 办法外部，如果这个线程被 unpark 了。就会继续执行 acquireQueued 办法的代码。

unlock 开释锁

调用的是 sync 类的 lock() 办法。

public void unlock() {sync.release(1);
}

调用 AQS 的 release 办法，arg=1.

public final boolean release(int arg) {
    // 开释一把锁后，返回 true
    if (tryRelease(arg)) {
        // 头结点就是哨兵结点
        Node h = head;        
        // 哨兵的 waitStatus 为 -1，符合条件进入
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);        //
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease 办法，也是一个模板办法，ReentrantLock 类的 Sync 重写了这个办法。

protected boolean tryRelease(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 如果以后 State 为 1，减去 1 后为 0
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    
    boolean free = false;
    
    if (c == 0) {
        free = true;    //c=0，阐明能够解锁，free 变为 true
        setExclusiveOwnerThread(null);    // 设置以后窗口的占用线程为 null
    }
    setState(c);    // 把状态改为相应的值
    return free;
}

unparkSuccessor 办法，开释锁！

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 传入的是哨兵结点，waitStatus 为 -1
    int ws = node.waitStatus;
    
    // 又把哨兵结点的 waitStatus 改为 0
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);    

    // s 是哨兵结点的下一个结点。Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    
    // 如果哨兵结点的下一个结点存在，且 waitStatus 为 0，开释锁！if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

此时线程被唤醒，后面 acquireQueued 里阻塞的 其余线程 就持续往下执行。

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