关健术语

本文用到的一些要害词语以及罕用术语，次要如下：

  • 信号量(Semaphore): 是在多线程环境下应用的一种设施，是能够用来保障两个或多个要害代码段不被并发调用，也是作零碎用来解决并发中的互斥和同步问题的一种办法。
  • 信号量机制(Semaphores)： 用来解决同步/互斥的问题的，它是1965年,荷兰学者 Dijkstra提出了一种行之有效的实现过程互斥与同步的办法。
  • 管程(Monitor) : 个别是指治理共享变量以及对共享变量的操作过程，让它们反对并发的一种机制。

根本概述

在Java畛域中，咱们能够将锁大抵分为基于Java语法层面(关键词)实现的锁和基于JDK层面实现的锁。

在Java畛域中, 尤其是在并发编程畛域，对于多线程并发执行始终有两大外围问题：同步和互斥。其中：

  • 互斥(Mutual Exclusion)：一个公共资源同一时刻只能被一个过程或线程应用，多个过程或线程不能同时应用公共资源。即就是同一时刻只容许一个线程访问共享资源的问题。
  • 同步(Synchronization)：两个或两个以上的过程或线程在运行过程中协同步调，按预约的先后秩序运行。即就是线程之间如何通信、合作的问题。

针对对于这两大外围问题，利用管程是可能解决和实现的，因而能够说，管程是并发编程的万能钥匙。

尽管，Java在基于语法层面(synchronized 关键字)实现了对管程技术,然而从应用形式和性能上来说，内置锁(synchronized 关键字)的粒度绝对过大，不反对超时和中断等问题。

为了补救这些问题，从JDK层面对其“反复造轮子”，在JDK外部对其从新设计和定义，甚至实现了新的个性。

在Java畛域中，从JDK源码剖析来看，基于JDK层面实现的锁大抵次要能够分为以下4种形式：

  • 基于Lock接口实现的锁
  • 基于ReadWriteLock接口实现的锁
  • 基于AQS根底同步器实现的锁
  • 基于自定义API操作实现的锁

从浏览源码不难发现，在Java SDK 并发包次要通过AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现多线程同步机制的封装与定义，而通过Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

一. 根本实践

在并发编程畛域，有两大外围问题：一个是互斥，即同一时刻只容许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、合作。

在操作系统中，个别有如果I/O操作时，对于阻塞和非阻塞是从函数调用角度来说的，其中：

  • 阻塞：如果读写操作没有就绪或者实现，则函数始终期待。
  • 非阻塞： 函数立刻调用，而后让应用程序轮询循环。

而同步和异步则是从“读写是次要是由谁实现”的角度来说的，其中：

  • 同步： 读写操作次要交给应用程序实现
  • 异步： 读写操作次要由操作系统实现，个别实现之后，回调函数和事件告诉应用程序。

其中，信号量机制(Semaphores)是用来解决同步/互斥的问题的，然而信号量(Semaphore)的操作扩散在各个过程或线程中，不不便进行治理，因每次需调用P/V(来自荷兰语 proberen和 verhogen)操作，还可能导致死锁或毁坏互斥申请的问题。

因为PV操作对于解决过程互斥/同步编程简单，因此在此基础上提出了与信号量等价的——“管程技术”。

其中，管程(Monitor)当中定义了共享数据结构只能被管程外部定义的函数所批改，所以如果咱们想批改管程外部的共享数据结构的话，只能调用管程外部提供的函数来间接的批改这些数据结构。

一般来说，管程(Monitor)和信号量(Semaphore)是等价的，所谓等价指的是用管程可能实现信号量，也能用信号量实现管程。

在管程的倒退历程上，先后呈现过Hasen模型、Hoare模型和MESA模型等三种不同的管程模型，当初正在宽泛应用的是MESA模型。

在MESA模型中，管程中引入了条件变量(Conditional Variable)的概念，而且每个条件变量都对应有一个期待队列(Wait Queue)。其中，条件变量和期待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

而对于解决线程之间的互斥问题，将共享变量(Shared Variable)及其对共享变量的操作对立封装起来，个别次要是实现一个线程平安的阻塞队列(Blocking Queue)，将线程不平安的队列封装起来，对外提供线程平安的操作方法，例如入队操作(Enqueue)和出队操作(Dequeue)。

在Java畛域中，对于Java语法层面实现的锁(synchronized 关键字)， 其实就是参考了 MESA 模型，并且对 MESA 模型进行了精简，个别在MESA 模型中，条件变量能够有多个，Java 语言内置的管程(synchronized)里只有一个条件变量。

这就意味着，被synchronized 关键字润饰的代码块或者间接标记静态方法以及实例办法，在编译期会主动生成相干加锁(lock)和解锁(unlock)的代码，即就是monitorenter和monitorexit指令。

对于synchronized 关键字来说，次要是在Java HotSpot(TM) VM 虚拟机通过Monitor(监视器)来实现monitorenter和monitorexit指令的。

同时，在Java HotSpot(TM) VM 虚拟机中，每个对象都会有一个监视器，监视器和对象一起创立、销毁。

监视器相当于一个用来监督这些线程进入的非凡房间，其任务是保障（同一时间）只有一个线程能够拜访被爱护的临界区代码块。

实质上，监视器是一种同步工具，也能够说是JVM对管程的同步机制的封装实现，次要特点是：

  • 同步：监视器所爱护的临界区代码是互斥地执行的。一个监视器是一个运行许可，任一线程进入临界区代码都须要取得这个许可，来到时把许可偿还。
  • 合作：监视器提供Signal机制，容许正持有许可的线程临时放弃许可进入阻塞期待状态，期待其余线程发送Signal去唤醒；其余领有许可的线程能够发送Signal，唤醒正在阻塞期待的线程，让它能够从新取得许可并启动执行。

在Hotspot虚拟机中，监视器是由C++类ObjectMonitor实现的，ObjectMonitor类定义在ObjectMonitor.hpp文件中，其中：

  • Owner： 指向的线程即为取得锁的线程
  • Cxq：竞争队列（Contention Queue），所有申请锁的线程首先被放在这个竞争队列中
  • EntryList：对象实体列表，示意Cxq中那些有资格成为候选资源的线程被挪动到EntryList中。
  • WaitSet：相似于期待队列，某个领有ObjectMonitor的线程在调用Object.wait()办法之后将被阻塞，而后该线程将被搁置在WaitSet链表中。

同时，管程与Java中面向对象准则(Object Oriented Principle)也是十分符合的，次要体现在 java.lang.Object类中wait()、notify()、notifyAll() 这三个办法，其中：

  • wait()办法： 阻塞线程并且进入期待队列
  • notify()办法：随机地告诉期待队列中的一个线程
  • notifyAll()办法： 告诉期待队列中的所有线程

不难发现，在Java中synchronized 关键字及 java.lang.Object类中wait()、notify()、notifyAll() 这三个办法都是管程的组成部分。

由此可见，咱们能够失去一个比拟通用的并发同步工具根底模型，大抵蕴含如下几个内容，其中：

  • 条件变量(Conditional Variable)： 利用线程间共享的变量进行同步的一种工作机制
  • 共享变量((Shared Variable))：个别指对象实体对象的成员变量和属性
  • 阻塞队列(Blocking Queue)：共享变量(Shared Variable)及其对共享变量的操作对立封装
  • 期待队列(Wait Queue)：每个条件变量都对应有一个期待队列(Wait Queue),外部须要实现入队操作(Enqueue)和出队操作(Dequeue)办法
  • 变量状态形容机(Synchronization Status)：形容条件变量和共享变量之间状态变动，又能够称其为同步状态
  • 工作模式(Operation Mode)： 线程资源具备排他性，因而定义独占模式和共享模式两种工作模式

综上所述，条件变量和期待队列的作用是解决线程之间的同步问题；共享变量与阻塞队列的作用是解决线程之间的互斥问题。

二.AQS根底同步器的设计与实现

在Java畛域中,同步器是专门为多线程并发设计的同步机制，次要是多线程并发执行时线程之间通过某种共享状态来实现同步，只有当状态满足这种条件时线程才往下执行的一种同步机制。

对于多线程实现实现并发解决机制来说，始终以来，多线程都存在2个问题：

  • 线程之间内存共享，须要通过加锁进行管制，然而加锁会导致性能降落，同时简单的加锁机制也会减少编程编码难度
  • 过多线程造成线程之间的上下文切换，导致效率低下

因而，在并发编程畛域中，始终有一个很重要的设计准则： “ 不要通过内存共享来实现通信，而应该通过通信来实现内存共享。”

简略来说，就是尽可能通过音讯通信，而不是内存共享来实现过程或者线程之间的同步。

其中，同步器是专门为多线程并发设计的同步机制，次要是多线程并发执行时线程之间通过某种共享状态来实现同步，只有当状态满足这种条件时线程才往下执行的一种同步机制。

因为在不同的利用场景中，对于同步器的需要也会有所不同，个别在咱们本人去实现和设计一种并发工具的时候，都需会思考以下几个问题：

  • 是否反对响应中断？ 如果阻塞状态的线程可能响应中断信号，也就是说当咱们给阻塞的线程发送中断信号的时候，可能唤醒它，那它就有机会开释已经持有的锁。
  • 是否反对超时？如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个谬误，那这个线程也有机会开释已经持有的锁。
  • 是否反对非阻塞地获取锁资源 ？ 如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是间接返回，那这个线程也有机会开释已经持有的锁。

从浏览JDK源码不难发现，次要是采纳设计模式中模板模式的准则，JDK将各种同步器中雷同的局部形象封装成了一个对立的根底同步器，而后基于根底同步器为模板通过继承的形式来实现不同的同步器。

也就是说，在理论开发过程中，除了间接应用JDK实现的同步器，还能够基于这个根底同步器咱们也能够本人自定义实现合乎咱们业务需要的同步器。

在JDK源码中，同步器位于java.util.concurrent.locks包下，其根本定义是AbstractQueuedSynchronizer类，即就是咱们常说的AQS同步器。

1. 设计思维

一个规范的AQS同步器次要有同步状态机制，期待队列，条件队列，独占模式，共享模式等五大外围因素组成。

JDK的JUC(java.util.concurrent.)包中提供了各种并发工具，然而大部分同步工具的实现基于AbstractQueuedSynchronizer类实现，其内部结构次要如下：

  • 同步状态机制(Synchronization Status)：次要用于实现锁(Lock)机制，是指同步状态，其要求对于状态的更新必须原子性的
  • 期待队列(Wait Queue)：次要用于寄存期待线程获取到的锁资源，并且把线程保护到一个Node(节点)外面和保护一个非阻塞的CHL Node FIFO(先进先出)队列，次要是采纳自旋锁+CAS操作来保障节点插入和移除的原子性操作。
  • 条件队列(Condition Queue)：用于实现锁的条件机制，个别次要是指替换“期待-告诉”工作机制，次要是通过ConditionObject对象实现Condition接口提供的办法实现。
  • 独占模式(Exclusive Mode)：次要用于实现独占锁，次要是基于动态外部类Node的常量标记EXCLUSIVE来标识该节点是独占模式
  • 共享模式(Shared Mode)：次要用于实现共享锁，次要是基于动态外部类Node的常量标记SHARED来标识该节点是共享模式

其中，对于AbstractQueuedSynchronizer类的实现原理，咱们能够从如下几个方面来看：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizerextends AbstractOwnableSynchronizerimplements java.io.Serializable {    private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691 L;    protected AbstractQueuedSynchronizer() {}    /**     * 期待队列： head-头节点     */    private transient volatile Node head;    /**     * 期待队列： tail-尾节点     */    private transient volatile Node tail;    /**     * 同步状态：32位整数类型，更新同步状态(state)时必须保障其是原子性的     */    private volatile int state;    /**     * 自旋锁耗费超时工夫阀值(threshold)： threshold < 1000ns时，示意竞争时抉择自旋；threshold > 1000ns时，示意竞争时抉择零碎阻塞     */    static final long spinForTimeoutThreshold = 1000 L;    /**     * CAS原子性操作     */    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();    /**     * stateOffset     */    private static final long stateOffset;    /**     * headOffset     */    private static final long headOffset;    /**     * tailOffset     */    private static final long tailOffset;    /**     * waitStatusOffset     */    private static final long waitStatusOffset;    /**     * nextOffset     */    private static final long nextOffset;    static {        try {            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));            headOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));            tailOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));            waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset(Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));            nextOffset = unsafe.objectFieldOffset(Node.class.getDeclaredField("next"));        } catch (Exception ex) {            throw new Error(ex);        }    }                    private final boolean compareAndSetHead(Node update)  {        return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);    }                    private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {        return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);    }                    private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node,                                                         int expect,                                                         int update) {        return unsafe.compareAndSwapInt(node, waitStatusOffset,                                        expect, update);    }                    private static final boolean compareAndSetNext(Node node,                                                   Node expect,                                                   Node update) {        return unsafe.compareAndSwapObject(node, nextOffset, expect, update);    }                    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);    }}

[1]. AbstractQueuedSynchronizer类的实现原理是继承了基于AbstractOwnableSynchronizer类的抽象类，其中次要对AQS同步器的通用个性和办法进行形象封装定义，次要包含如下办法：

public abstract class AbstractOwnableSynchronizerimplements java.io.Serializable {    private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961 L;    protected AbstractOwnableSynchronizer() {}    /**     *  同步器拥有者     */    private transient Thread exclusiveOwnerThread;    /**     * 设置同步器拥有者：把线程当作参数传入，指定某个线程为独享     */    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {        exclusiveOwnerThread = thread;    }    /**     * 获取同步器拥有者：获取指定的某个线程     */    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {        return exclusiveOwnerThread;    }}
  • setExclusiveOwnerThread(Thread thread)办法： 把某个线程作为参数传入，从而设置AQS同步器的所有者，即就是咱们设置的某个线程
  • getExclusiveOwnerThread()办法： 获取以后AQS同步器的所有者，即就是咱们指定的某个线程

[2]. 对于同步状态(state)，其类型是32位整数类型，并且是被volatile润饰的，示意在更新同步状态(state)时必须保障其是原子性的。

[3]. 对于期待队列的构造，次要是在Node定义了head和tail变量，其中head示意头部节点，tail示意尾部节点

[4].对于期待队列的构造提到的Node类来说，次要内容如下：

  static final class Node {      /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */      static final Node SHARED = new Node();                  /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */      static final Node EXCLUSIVE = null;      /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */      static final int CANCELLED = 1;                  /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */      static final int SIGNAL = -1;                  /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */      static final int CONDITION = -2;                  /**       * waitStatus value to indicate the next acquireShared should       * unconditionally propagate       */      static final int PROPAGATE = -3;      /**       * Status field, taking on only the values:       *   SIGNAL:     The successor of this node is (or will soon be)       *               blocked (via park), so the current node must       *               unpark its successor when it releases or       *               cancels. To avoid races, acquire methods must       *               first indicate they need a signal,       *               then retry the atomic acquire, and then,       *               on failure, block.       *   CANCELLED:  This node is cancelled due to timeout or interrupt.       *               Nodes never leave this state. In particular,       *               a thread with cancelled node never again blocks.       *   CONDITION:  This node is currently on a condition queue.       *               It will not be used as a sync queue node       *               until transferred, at which time the status       *               will be set to 0. (Use of this value here has       *               nothing to do with the other uses of the       *               field, but simplifies mechanics.)       *   PROPAGATE:  A releaseShared should be propagated to other       *               nodes. This is set (for head node only) in       *               doReleaseShared to ensure propagation       *               continues, even if other operations have       *               since intervened.       *   0:          None of the above       *       *       * The field is initialized to 0 for normal sync nodes, and       * CONDITION for condition nodes.  It is modified using CAS       * (or when possible, unconditional volatile writes).       */      volatile int waitStatus;      /**       * Link to predecessor node that current node/thread relies on       */      volatile Node prev;      /**       * Link to the successor node that the current node/thread       */      volatile Node next;      /**       * The thread that enqueued this node.  Initialized on       * construction and nulled out after use.       */      volatile Thread thread;      /**       * Link to next node waiting on condition, or the special       */      Node nextWaiter;      /**       * Returns true if node is waiting in shared mode.       */      final boolean isShared() {          return nextWaiter == SHARED;      }      final Node predecessor() throws NullPointerException {          Node p = prev;          if (p == null)              throw new NullPointerException();          else              return p;      }      Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker      }      Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter          this.nextWaiter = mode;          this.thread = thread;      }      Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition          this.waitStatus = waitStatus;          this.thread = thread;      }  }
  • 标记Node的工作模式常量标记：次要保护了SHARED和EXCLUSIVE等2个动态字面常量，其中 SHARED 用于标记Node中是共享模式，EXCLUSIVE:用于标记Node中是独享模式
  • 标记期待状态的动态字面常量标记： 次要保护了0(示意无状态)，SIGNAL(-1,示意后续节点中的线程通过park进入期待，以后节点在开释和勾销时，须要通过unpark解除后后续节点的期待)，CANCELLED(1,示意以后节点中的线程因为超时和中断被勾销)，CONDITION(-2,示意以后节点在条件队列中)，PROPAGATE(-3,SHARED共享模式的头节点形容状态，示意无条件往下流传)等5个动态字面常量
  • 保护了一个期待状态(waitStatus): 次要用于形容期待队列中节点的状态，其取值范畴为0(waitStatus=0,示意无状态)，SIGNAL(waitStatus=-1,示意期待信号状态)，CANCELLED(waitStatus=1,示意勾销状态)，CONDITION(waitStatus=-2,示意条件状态)，PROPAGATE(waitStatus=-3,示意SHARED共享模式状态)等5个动态字面常量，CAS操作时写入，默认值为0。
  • 保护了Node的2个构造节点变量： 次要是prev和next，其中，prev示意前驱节点，next示意后续节点，示意形成双向向链表，形成了期待队列的数据结构
  • 保护了一个状态工作模式标记： 次要是保护了一个nextWaiter，用于示意在期待队列中以后节点在是共享模式还是独享模式，而对于条件队列来说，用于组成单向链表构造
  • 保护了一个线程对象变量： 次要用于记录以后节点中的线程thread

[5].对于自旋锁耗费超时工夫阀值(spinForTimeoutThreshold),次要示意零碎根据这个阀值来抉择自旋形式还是零碎阻塞。个别假如这个threshold，当 threshold < 1000ns时，示意竞争时抉择自旋；否则，当threshold > 1000ns时，示意竞争时抉择零碎阻塞

[6].对于带有Offset 等变量对应各自的句柄，次要用于执行CAS操作。在JDK1.8版本之前，CAS操作次要通过Unsafe类来说实现；在JDK1.8版本之后，曾经开始利用VarHandle来代替Unsafe类操作实现。

[7].对于CAS操作来说，次要提供了如下几个办法：

  • compareAndSetState(int expect, int update)办法：CAS操作原子更新状态
  • compareAndSetHead(Node update)办法：CAS操作原子更新头部节点
  • compareAndSetTail(Node expect, Node update)办法：CAS操作原子更新尾部节点
  • compareAndSetWaitStatus(Node node, int expect,int update)办法：CAS操作原子更新期待状态
  • compareAndSetNext(Node node,Node expect,Node update)办法：CAS操作原子更新后续节点

[8].除此之外，还包含许多辅助的操作方法，具体可参考源码剖析。

2. 根本实现

一个规范的AQS同步器最外围底层设计实现是一个非阻塞的CHL Node FIFO(先进先出)队列数据结构，通过采纳自旋锁+CAS操作的办法来保障原子性操作。

总的来说，一个AQS根底同步器，底层的数据结构采纳的是一个非阻塞的CHL Node FIFO(先进先出)队列数据结构，而实现的外围算法则是采纳自旋锁+CAS操作的办法。

首先，对于非阻塞的CHL Node FIFO(先进先出)队列数据结构，一般来说，FIFO(First In First Out,先进先出)队列是一个有序列表，属于形象型数据类型(Abstract Data Type,ADT),所有的插入和删除操作都产生在队首(Front)和队尾(Rear)两端，具备先进先出的个性。

    /**     * 期待队列： head-头节点     */    private transient volatile Node head;    /**     * 期待队列： tail-尾节点     */    private transient volatile Node tail;            /**     * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.     * @param node the node to insert     * @return node's predecessor     */    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;                }            }        }    }    /**     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.     *     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared     * @return the new node     */    private Node addWaiter(Node mode) {        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure        Node pred = tail;        if (pred != null) {            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {                pred.next = node;                return node;            }        }        enq(node);        return node;    }

在AQS同步器的源码中，次要是通过动态外部类Node来实现的这个非阻塞的CHL Node FIFO(先进先出)队列数据结构， 保护了两个变量head和tail，其中head对应队首(Front)，tail对应队尾(Rear)。同时，还定义了addWaiter(Node mode)办法来示意入队操作，其中有个enq(final Node node)办法，次要用于初始化队列中head和tail的设置。

其次，AQS同步器以CLH锁为根底，其中CLH锁是一种自旋锁，对于自旋锁的实现形式来看，次要能够分为一般自旋锁和自适应自旋锁，CLH锁和MCS锁等4种，其中：

  • 一般自旋锁：多个线程一直自旋，一直尝试获取锁，其不具备公平性和因为要保障CPU和缓存以及主存之间的数据一致性，其开销较大。
  • 自适应自旋锁：次要是为解决一般自旋锁的公平性问题，引入了一个排队机制，个别称为排他自旋锁，其具备公平性，然而没有解决保障CPU和缓存以及主存之间的数据一致性问题，其开销较大。
  • CLH锁：通过肯定伎俩将线程对于某一个共享变量的轮询竞争转化为一个线程队列，且队列中的线程各自轮询本人本地变量。
  • MCS锁：宗旨在于解决 CLH锁的问题，也是基于FIFO队列，与CLH锁不同是，只对本地变量自旋，前驱节点负责告诉MCS锁中线程自适完结。

自旋锁是一种实现同步的计划，属于一种非阻塞锁，与惯例锁次要的区别就在于获取锁失败之后的解决形式不同，次要体现在：

  • 个别状况下，惯例锁在获取锁失败之后，会将线程阻塞并适当时从新唤醒
  • 而自旋锁则是应用自旋来替换阻塞操作，次要是线程会一直循环查看该锁是否被开释，一旦开释线程便会获取锁资源。

从实质上讲，自旋是一钟忙期待状态，会始终耗费CPU的执行工夫。个别状况下，惯例互斥锁实用于持有锁长时间的状况，自旋锁适宜持有工夫短的状况。

其中，对于CLH锁来说，其外围是为解决同步带来的花销问题，Craig，Landim，Hagersten三人创造了CLH锁，其中次要是：

  • 构建一个FIFO(先进先出)队列，构建时次要通过挪动尾部节点tail来实现队列的排队，每个想取得锁的线程都会创立一个新节点(next)并通过CAS操作原子操作将新节点赋予给tail，以后线程轮询前一个节点的状态。
  • 执行完线程后，只需将以后线程对应节点状态设置为解锁即可，次要是判断以后节点是否为尾部节点，如果是间接设置尾部节点设置为空。因为下一个节点始终在轮询，所以能够取得锁。

CLH锁将众多线程长时间对资源的竞争，通过有序化这些线程将其转化为只须要对本地变量检测。惟一存在竞争的中央就是入队之前对尾部节点tail 的竞争，相对来说，以后线程对资源的竞争次数缩小，这节俭了CPU缓存同步的耗费，从而晋升了零碎性能。

然而同时也有一个问题，CLH锁尽管解决了大量线程同时操作同一个变量时带来的开销问题，如果前驱节点和以后节点在本地主存中不存在，则拜访工夫过长，也会引起性能问题。

为了让CLH锁更容易实现勾销和超时的性能，AQS同步器在设计时进行了革新，次要体现在：节点的构造和节点期待机制。其中：

  • 节点的构造： 次要引入了头节点和尾节点，别离指向队列头部和尾部，对于锁的相干操作都与其非亲非故，并且每个节点都引入了前驱节点和后继节点。
  • 节点期待机制： 次要在原来的自旋根底上减少了零碎阻塞唤醒，次要体现在 自旋锁耗费超时工夫阀值(threshold)： threshold < 1000ns时，示意竞争时抉择自旋；threshold > 1000ns时，示意竞争时抉择零碎阻塞。

由此可见，次要是通过前驱节点和后继节点的援用连接起来造成一个链表队列，其中对于入队，检测节点，出队，判断超时，勾销节点等操作次要如下：

  • 入队(enqueue): 次要采纳一个有限循环进行CAS操作，即就是应用自旋形式竞争直到胜利。
  • 检测节点(checkedPrev): 个别在入队实现后，次要是检测判断以后节点的前驱节点是否为头节点， 个别自旋形式是间接进入循环检测，而零碎阻塞形式是以后线程先检测，其中如果是头节点并胜利获取锁，则间接返回，以后线程不阻塞，否则对以后线程进行阻塞。
  • 出队(dequeue):次要负责唤醒期待队列中的后继节点，并且依照条件往下流传有序执行
  • 判断超时(checkedTimeout): 队列中期待锁的线程可能因为中断或者超时的状况，当总耗时大于等于自定义耗时就间接返回，即就是
  • 勾销节点(cancel): 次要是对于中断和超时而波及到勾销操作，而且这样的状况不再参加锁竞争，即就是个别通过调用compareAndSetNext(Node node, Node expect,Node update)来进行CAS操作。

最初，AQS同步器中应用了CAS操作，其中CAS(Compare And Swap,比拟并替换)操作时一种乐观锁策略，次要波及三个操作数据：内存值，预期值，新值，次要是指当且仅当预期值和内存值相等时才去批改内存值为新值。

一般来说，CAS操作的具体逻辑，次要能够分为三个步骤：

  • 首先，查看某个内存值是否与该线程之前取到值一样。
  • 其次，如果不一样，示意此内存值曾经被别的线程批改，须要舍弃本次操作。
  • 最初，如果时一样，示意期间没有线程更改过，则须要用新值执行更新内存值。

除此之外，须要留神的是CAS操作具备原子性，次要是由CPU硬件指令来保障，并且通过Java本地接口(Java Native Interface,JNI)调用本地硬件指令实现。

当然，CAS操作防止了乐观策略独占对象的 问题，同时进步了并发性能，然而也有以下三个问题：

  • 乐观策略只能保障一个共享变量的原子操作，如果是多个变量，CAS便不如互斥锁，次要是CAS操作的局限所致。
  • 长时间循环操作可能导致开销过大。
  • 经典的ABA问题： 次要是查看某个内存值是否与该线程之前取到值一样，这个判断逻辑不谨严。解决ABA问题的外围在于，引入版本号，每次更新变量值更新版本号。

而在AQS同步器中，为了保障并发实现保障原子性，而且是硬件级别的原子性，个别是通过JNI(Java native interface,Java 本地接口)形式让Java代码调用C/C++本地代码。

须要留神的是，在Java畛域中，对于CAS操作实现，次要有亮点问题：

  • JDK1.8版本之前，CAS操作次要应用Unsafe类来执行底层操作，个别并发和线程操作时，次要用compareAndSwapObject，compareAndSwapInt，compareAndSwapLong等来实现CAS，而对于线程调度次要是park和unpark办法，其次要在sun.misc包上面。

  • JDK1.8版本之后，JDK1.9的CAS操作次要应用VarHandle类，只是用VarHandle代替了一部分Unsafe类的操作，然而对于新版本中Unsafe，实质上Unsafe类会间接调用jdk.internal.misc包上面Unsafe类来实现。

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