形象队列同步器(AQS-AbstractQueuedSynchronizer)

从名字上来了解:

  • 形象:是抽象类,具体由子类实现
  • 队列:数据结构是队列,应用队列存储数据
  • 同步:基于它能够实现同步性能

咱们就从这几个方面来动手解读,但首先,咱们得先晓得以下几个它的特点,以便于了解

AbstractQueuedSynchronizer特点

1.AQS能够实现独占锁和共享锁。

2.独占锁exclusive是一个乐观锁。保障只有一个线程通过一个阻塞点，只有一个线程能够取得锁。

3.共享锁shared是一个乐观锁。能够容许多个线程阻塞点，能够多个线程同时获取到锁。它容许一个资源能够被多个读操作，或者被一个写操作拜访，然而两个操作不能同时拜访。

4.AQS应用一个int类型的成员变量state来示意同步状态，当state>0时示意曾经获取了锁，当state = 0无锁。它提供了三个办法（getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update)）来对同步状态state进行操作，能够确保对state的操作是平安的。

5.AQS是通过一个CLH队列实现的（CLH锁即Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks，CLH锁是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。CLH锁也是一种基于链表的可扩大、高性能、偏心的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它一直轮询前驱的状态，如果发现前驱开释了锁就完结自旋。）

形象

咱们来扒一扒源码能够看到它继承于AbstractOwnableSynchronizer它是一个抽象类.

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer    extends AbstractOwnableSynchronizer    implements java.io.Serializable

AQS外部应用了一个volatile的变量state来作为资源的标识。同时定义了几个获取和扭转state的protected办法，子类能够笼罩这些办法来实现本人的逻辑.

能够看到类中为咱们提供了几个protected级别的办法,它们别离是:

//创立一个队列同步器实例,初始state是0protected AbstractQueuedSynchronizer() { }//返回同步状态的以后值。protected final int getState() {        return state;}//设置同步状态的值protected final void setState(int newState) {        state = newState;    }//独占形式。尝试获取资源，胜利则返回true，失败则返回false。protected boolean tryAcquire(int arg) {        throw new UnsupportedOperationException();    }            //独占形式。尝试开释资源，胜利则返回true，失败则返回false。protected boolean tryRelease(int arg) {        throw new UnsupportedOperationException();    }        //共享形式。尝试获取资源。正数示意失败；0示意胜利，但没有残余可用资源；负数示意胜利，且有残余资源protected int tryAcquireShared(int arg) {        throw new UnsupportedOperationException();    }            //共享形式。尝试开释资源，如果开释后容许唤醒后续期待结点返回true，否则返回false。protected boolean tryReleaseShared(int arg) {        throw new UnsupportedOperationException();    }

这些办法尽管都是protected办法，然而它们并没有在AQS具体实现，而是间接抛出异样,AQS实现了一系列次要的逻辑
由此可知,AQS是一个形象的用于构建锁和同步器的框架，应用AQS能简略且高效地结构出利用宽泛的同步器，比方咱们提到的ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。

咱们本人也能利用AQS十分轻松容易地结构出自定义的同步器，只有子类实现它的几个protected办法就能够了.

队列

AQS类自身实现的是具体线程期待队列的保护（如获取资源失败入队/唤醒出队等）。它外部应用了一个先进先出（FIFO）的双端队列(CLH)，并应用了两个指针head和tail用于标识队列的头部和尾部。其数据结构如图：


队列并不是间接贮存线程，而是贮存领有线程的Node节点。

咱们来看看Node的构造：

static final class Node {    // 标记一个结点（对应的线程）在共享模式下期待    static final Node SHARED = new Node();    // 标记一个结点（对应的线程）在独占模式下期待    static final Node EXCLUSIVE = null;     // waitStatus的值，示意该结点（对应的线程）已被勾销    static final int CANCELLED = 1;     // waitStatus的值，示意后继结点（对应的线程）须要被唤醒    static final int SIGNAL = -1;    // waitStatus的值，示意该结点（对应的线程）在期待某一条件    static final int CONDITION = -2;        //waitStatus的值，示意有资源可用，新head结点须要持续唤醒后继结点    //（共享模式下，多线程并发开释资源，而head唤醒其后继结点后，    //须要把多进去的资源留给前面的结点；设置新的head结点时，会持续唤醒其后继结点）    static final int PROPAGATE = -3;    // 期待状态，取值范畴，-3，-2，-1，0，1    volatile int waitStatus;    volatile Node prev; // 前驱结点    volatile Node next; // 后继结点    volatile Thread thread; // 结点对应的线程    Node nextWaiter; // 期待队列里下一个期待条件的结点    // 判断共享模式的办法    final boolean isShared() {        return nextWaiter == SHARED;    }    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter        this.nextWaiter = mode;        this.thread = thread;    }    // 其它办法疏忽，能够参考具体的源码}// AQS外面的addWaiter公有办法private Node addWaiter(Node mode) {    // 应用了Node的这个构造函数    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);    // 其它代码省略}
过Node咱们能够实现两个队列，一是通过prev和next实现CLH队列(线程同步队列,双向队列)，二是nextWaiter实现Condition条件上的期待线程队列(单向队列)，这个Condition次要用在ReentrantLock类中

同步

两种同步形式：

  • 独占模式（Exclusive）：资源是独占的，一次只能一个线程获取。如ReentrantLock。
  • 共享模式（Share）：同时能够被多个线程获取，具体的资源个数能够通过参数指定。如Semaphore/CountDownLatch。
同时实现两种模式的同步类，如ReadWriteLock

获取资源

获取资源的入口是acquire(int arg)办法。arg是要获取的资源的个数，在独占模式下始终为1。

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

首先调用tryAcquire(arg)尝试去获取资源。后面提到了这个办法是在子类具体实现的
如果获取资源失败，就通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)办法把这个线程插入到期待队列中。其中传入的参数代表要插入的Node是独占式的。这个办法的具体实现：

private Node addWaiter(Node mode) {    // 生成该线程对应的Node节点    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);    // 将Node插入队列中    Node pred = tail;    if (pred != null) {        node.prev = pred;        // 应用CAS尝试，如果胜利就返回        if (compareAndSetTail(pred, node)) {            pred.next = node;            return node;        }    }    // 如果期待队列为空或者上述CAS失败，再自旋CAS插入    enq(node);    return node;}//AQS中会存在多个线程同时抢夺资源的状况，//因而必定会呈现多个线程同时插入节点的操作，//在这里是通过CAS自旋的形式保障了操作的线程安全性。// 自旋CAS插入期待队列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;            }        }    }}

若设置胜利就代表本人获取到了锁，返回true。状态为0设置1的动作在内部就有做过一次，外部再一次做只是晋升概率，而且这样的操作绝对锁来讲不占开销。
如果状态不是0，则断定以后线程是否为排它锁的Owner，如果是Owner则尝试将状态减少acquires（也就是减少1），如果这个状态值越界，则会抛出异样提醒，若没有越界，将状态设置进去后返回true（实现了相似于偏差的性能，可重入，然而无需进一步征用）。
如果状态不是0，且本身不是owner，则返回false。

当初通过addWaiter办法，曾经把一个Node放到期待队列尾部了。而处于期待队列的结点是从头结点一个一个去获取资源的。具体的实现咱们来看看acquireQueued办法:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {    boolean failed = true;    try {        boolean interrupted = false;        // 自旋        for (;;) {            final Node p = node.predecessor();            // 如果node的前驱结点p是head，示意node是第二个结点，就能够尝试去获取资源了            if (p == head && tryAcquire(arg)) {                // 拿到资源后，将head指向该结点。                // 所以head所指的结点，就是以后获取到资源的那个结点或null。                setHead(node);                 p.next = null; // help GC                failed = false;                return interrupted;            }            // 如果本人能够劳动了，就进入waiting状态，直到被unpark()            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                parkAndCheckInterrupt())                interrupted = true;        }    } finally {        if (failed)            cancelAcquire(node);    }}
这里parkAndCheckInterrupt办法外部应用到了LockSupport.park(this)，顺便简略介绍一下park。
LockSupport类是Java 6 引入的一个类，提供了根本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数，归结到Unsafe里，只有两个函数：
park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞以后线程
unpark(Thread jthread)：使给定的线程进行阻塞

所以结点进入期待队列后，是调用park使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于沉闷状态的。

acquire办法 获取资源的流程:

当然，获取资源的办法除了acquire外，还有以下三个：

  • acquireInterruptibly：申请可中断的资源（独占模式）
  • acquireShared：申请共享模式的资源

  • acquireSharedInterruptibly：申请可中断的资源（共享模式）

    可中断的意思是，在线程中断时可能会抛出InterruptedException

开释资源

开释资源相比于获取资源来说，会简略许多。在AQS中只有一小段实现。

源码：

public final boolean release(int arg) {    if (tryRelease(arg)) {        Node h = head;        if (h != null && h.waitStatus != 0)            unparkSuccessor(h);        return true;    }    return false;}

tryRelease办法
这个动作能够认为就是一个设置锁状态的操作，而且是将状态减掉传入的参数值（参数是1），如果后果状态为0，就将排它锁的Owner设置为null，以使得其它的线程有机会进行执行。

在排它锁中，加锁的时候状态会减少1（当然能够本人批改这个值），在解锁的时候减掉1，同一个锁，在能够重入后，可能会被叠加为2、3、4这些值，只有unlock()的次数与lock()的次数对应才会将Owner线程设置为空，而且也只有这种状况下才会返回true。
这一点大家写代码要留神，如果是在循环体中lock()或成心应用两次以上的lock(),而最终只有一次unlock()，最终可能无奈开释锁。导致死锁.

private void unparkSuccessor(Node node) {    // 如果状态是正数，尝试把它设置为0    int ws = node.waitStatus;    if (ws < 0)        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);    // 失去头结点的后继结点head.next    Node s = node.next;    // 如果这个后继结点为空或者状态大于0    // 通过后面的定义咱们晓得，大于0只有一种可能，就是这个结点已被勾销    if (s == null || s.waitStatus > 0) {        s = null;        // 期待队列中所有还有用的结点，都向前挪动        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)            if (t.waitStatus <= 0)                s = t;    }    // 如果后继结点不为空，    if (s != null)        LockSupport.unpark(s.thread);}

办法unparkSuccessor(Node)，意味着真正要开释锁了，它传入的是head节点,外部首先会产生的动作是获取head节点的next节点，如果获取到的节点不为空，则间接通过：“LockSupport.unpark()”办法来开释对应的被挂起的线程.

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