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从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用

Java技术 winrains 来源:美团技术团队 11个月前 (12-14) 40次浏览

前言

Java中的大部分同步类(Lock、Semaphore、ReentrantLock等)都是基于AbstractQueuedSynchronizer(简称为AQS)实现的。AQS是一种提供了原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。本文会从应用层逐渐深入到原理层,并通过ReentrantLock的基本特性和ReentrantLock与AQS的关联,来深入解读AQS相关独占锁的知识点,同时采取问答的模式来帮助大家理解AQS。由于篇幅原因,本篇文章主要阐述AQS中独占锁的逻辑和Sync Queue,不讲述包含共享锁和Condition Queue的部分(本篇文章核心为AQS原理剖析,只是简单介绍了ReentrantLock,感兴趣同学可以阅读一下ReentrantLock的源码)。

下面列出本篇文章的大纲和思路,以便于大家更好地理解:

1 ReentrantLock

1.1 ReentrantLock特性概览

ReentrantLock意思为可重入锁,指的是一个线程能够对一个临界资源重复加锁。为了帮助大家更好地理解ReentrantLock的特性,我们先将ReentrantLock跟常用的Synchronized进行比较,其特性如下(蓝色部分为本篇文章主要剖析的点):

下面通过伪代码,进行更加直观的比较:

// **************************Synchronized的使用方式**************************
// 1.用于代码块
synchronized (this) {}
// 2.用于对象
synchronized (object) {}
// 3.用于方法
public synchronized void test () {}
// 4.可重入
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    synchronized (this) {}
}
// **************************ReentrantLock的使用方式**************************
public void test () throw Exception {
    // 1.初始化选择公平锁、非公平锁
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    // 2.可用于代码块
    lock.lock();
    try {
        try {
            // 3.支持多种加锁方式,比较灵活; 具有可重入特性
            if(lock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)){ }
        } finally {
            // 4.手动释放锁
            lock.unlock()
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

1.2 ReentrantLock与AQS的关联

通过上文我们已经了解,ReentrantLock支持公平锁和非公平锁(关于公平锁和非公平锁的原理分析,可参考《不可不说的Java“锁”事》),并且ReentrantLock的底层就是由AQS来实现的。那么ReentrantLock是如何通过公平锁和非公平锁与AQS关联起来呢? 我们着重从这两者的加锁过程来理解一下它们与AQS之间的关系(加锁过程中与AQS的关联比较明显,解锁流程后续会介绍)。

非公平锁源码中的加锁流程如下:

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock#NonfairSync

// 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync {
    ...
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
        }
  ...
}

这块代码的含义为:

  • 若通过CAS设置变量State(同步状态)成功,也就是获取锁成功,则将当前线程设置为独占线程。
  • 若通过CAS设置变量State(同步状态)失败,也就是获取锁失败,则进入Acquire方法进行后续处理。

第一步很好理解,但第二步获取锁失败后,后续的处理策略是怎么样的呢?这块可能会有以下思考:

  • 某个线程获取锁失败的后续流程是什么呢?有以下两种可能:

(1) 将当前线程获锁结果设置为失败,获取锁流程结束。这种设计会极大降低系统的并发度,并不满足我们实际的需求。所以就需要下面这种流程,也就是AQS框架的处理流程。

(2) 存在某种排队等候机制,线程继续等待,仍然保留获取锁的可能,获取锁流程仍在继续。

  • 对于问题1的第二种情况,既然说到了排队等候机制,那么就一定会有某种队列形成,这样的队列是什么数据结构呢?
  • 处于排队等候机制中的线程,什么时候可以有机会获取锁呢?
  • 如果处于排队等候机制中的线程一直无法获取锁,还是需要一直等待吗,还是有别的策略来解决这一问题?

带着非公平锁的这些问题,再看下公平锁源码中获锁的方式:

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock#FairSync

static final class FairSync extends Sync {
  ...  
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
  ...
}

看到这块代码,我们可能会存在这种疑问:Lock函数通过Acquire方法进行加锁,但是具体是如何加锁的呢?

结合公平锁和非公平锁的加锁流程,虽然流程上有一定的不同,但是都调用了Acquire方法,而Acquire方法是FairSync和UnfairSync的父类AQS中的核心方法。

对于上边提到的问题,其实在ReentrantLock类源码中都无法解答,而这些问题的答案,都是位于Acquire方法所在的类AbstractQueuedSynchronizer中,也就是本文的核心——AQS。下面我们会对AQS以及ReentrantLock和AQS的关联做详细介绍(相关问题答案会在2.3.5小节中解答)。

2 AQS

首先,我们通过下面的架构图来整体了解一下AQS框架:

  • 上图中有颜色的为Method,无颜色的为Attribution。
  • 总的来说,AQS框架共分为五层,自上而下由浅入深,从AQS对外暴露的API到底层基础数据。
  • 当有自定义同步器接入时,只需重写第一层所需要的部分方法即可,不需要关注底层具体的实现流程。当自定义同步器进行加锁或者解锁操作时,先经过第一层的API进入AQS内部方法,然后经过第二层进行锁的获取,接着对于获取锁失败的流程,进入第三层和第四层的等待队列处理,而这些处理方式均依赖于第五层的基础数据提供层。

下面我们会从整体到细节,从流程到方法逐一剖析AQS框架,主要分析过程如下:

2.1 原理概览

AQS核心思想是,如果被请求的共享资源空闲,那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,将共享资源设置为锁定状态;如果共享资源被占用,就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的,将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CLH:Craig、Landin and Hagersten队列,是单向链表,AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列(FIFO),AQS是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。

主要原理图如下:

AQS使用一个Volatile的int类型的成员变量来表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作,通过CAS完成对State值的修改。

2.1.1 AQS数据结构

先来看下AQS中最基本的数据结构——Node,Node即为上面CLH变体队列中的节点。

解释一下几个方法和属性值的含义:

方法和属性值 含义
waitStatus 当前节点在队列中的状态
thread 表示处于该节点的线程
prev 前驱指针
predecessor 返回前驱节点,没有的话抛出npe
nextWaiter 指向下一个处于CONDITION状态的节点(由于本篇文章不讲述Condition Queue队列,这个指针不多介绍)
next 后继指针

线程两种锁的模式:

模式 含义
SHARED 表示线程以共享的模式等待锁
EXCLUSIVE 表示线程正在以独占的方式等待锁

waitStatus有下面几个枚举值:

枚举 含义
0 当一个Node被初始化的时候的默认值
CANCELLED 为1,表示线程获取锁的请求已经取消了
CONDITION 为-2,表示节点在等待队列中,节点线程等待唤醒
PROPAGATE 为-3,当前线程处在SHARED情况下,该字段才会使用
SIGNAL 为-1,表示线程已经准备好了,就等资源释放了

2.1.2 同步状态State

在了解数据结构后,接下来了解一下AQS的同步状态——State。AQS中维护了一个名为state的字段,意为同步状态,是由Volatile修饰的,用于展示当前临界资源的获锁情况。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private volatile int state;

下面提供了几个访问这个字段的方法:

方法名 描述
protected final int getState() 获取State的值
protected final void setState(int newState) 设置State的值
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) 使用CAS方式更新State

这几个方法都是Final修饰的,说明子类中无法重写它们。我们可以通过修改State字段表示的同步状态来实现多线程的独占模式和共享模式(加锁过程)。

对于我们自定义的同步工具,需要自定义获取同步状态和释放状态的方式,也就是AQS架构图中的第一层:API层。

2.2 AQS重要方法与ReentrantLock的关联

从架构图中可以得知,AQS提供了大量用于自定义同步器实现的Protected方法。自定义同步器实现的相关方法也只是为了通过修改State字段来实现多线程的独占模式或者共享模式。自定义同步器需要实现以下方法(ReentrantLock需要实现的方法如下,并不是全部):

方法名 描述
protected boolean isHeldExclusively() 该线程是否正在独占资源。只有用到Condition才需要去实现它。
protected boolean tryAcquire(int arg) 独占方式。arg为获取锁的次数,尝试获取资源,成功则返回True,失败则返回False。
protected boolean tryRelease(int arg) 独占方式。arg为释放锁的次数,尝试释放资源,成功则返回True,失败则返回False。
protected int tryAcquireShared(int arg) 共享方式。arg为获取锁的次数,尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
protected boolean tryReleaseShared(int arg) 共享方式。arg为释放锁的次数,尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回True,否则返回False。

一般来说,自定义同步器要么是独占方式,要么是共享方式,它们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock。ReentrantLock是独占锁,所以实现了tryAcquire-tryRelease。

以非公平锁为例,这里主要阐述一下非公平锁与AQS之间方法的关联之处,具体每一处核心方法的作用会在文章后面详细进行阐述。

为了帮助大家理解ReentrantLock和AQS之间方法的交互过程,以非公平锁为例,我们将加锁和解锁的交互流程单独拎出来强调一下,以便于对后续内容的理解。

加锁:

  • 通过ReentrantLock的加锁方法Lock进行加锁操作。
  • 会调用到内部类Sync的Lock方法,由于Sync#lock是抽象方法,根据ReentrantLock初始化选择的公平锁和非公平锁,执行相关内部类的Lock方法,本质上都会执行AQS的Acquire方法。
  • AQS的Acquire方法会执行tryAcquire方法,但是由于tryAcquire需要自定义同步器实现,因此执行了ReentrantLock中的tryAcquire方法,由于ReentrantLock是通过公平锁和非公平锁内部类实现的tryAcquire方法,因此会根据锁类型不同,执行不同的tryAcquire。
  • tryAcquire是获取锁逻辑,获取失败后,会执行框架AQS的后续逻辑,跟ReentrantLock自定义同步器无关。

解锁:

  • 通过ReentrantLock的解锁方法Unlock进行解锁。
  • Unlock会调用内部类Sync的Release方法,该方法继承于AQS。
  • Release中会调用tryRelease方法,tryRelease需要自定义同步器实现,tryRelease只在ReentrantLock中的Sync实现,因此可以看出,释放锁的过程,并不区分是否为公平锁。
  • 释放成功后,所有处理由AQS框架完成,与自定义同步器无关。

通过上面的描述,大概可以总结出ReentrantLock加锁解锁时API层核心方法的映射关系。

2.3 通过ReentrantLock理解AQS

ReentrantLock中公平锁和非公平锁在底层是相同的,这里以非公平锁为例进行分析。

在非公平锁中,有一段这样的代码:

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock

static final class NonfairSync extends Sync {
    ...
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
  ...
}

看一下这个Acquire是怎么写的:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

再看一下tryAcquire方法:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

可以看出,这里只是AQS的简单实现,具体获取锁的实现方法是由各自的公平锁和非公平锁单独实现的(以ReentrantLock为例)。如果该方法返回了True,则说明当前线程获取锁成功,就不用往后执行了;如果获取失败,就需要加入到等待队列中。下面会详细解释线程是何时以及怎样被加入进等待队列中的。

2.3.1 线程加入等待队列

2.3.1.1 加入队列的时机

当执行Acquire(1)时,会通过tryAcquire获取锁。在这种情况下,如果获取锁失败,就会调用addWaiter加入到等待队列中去。

2.3.1.2 如何加入队列

获取锁失败后,会执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)加入等待队列,具体实现方法如下:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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;
}
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}

主要的流程如下:

  • 通过当前的线程和锁模式新建一个节点。
  • Pred指针指向尾节点Tail。
  • 将New中Node的Prev指针指向Pred。
  • 通过compareAndSetTail方法,完成尾节点的设置。这个方法主要是对tailOffset和Expect进行比较,如果tailOffset的Node和Expect的Node地址是相同的,那么设置Tail的值为Update的值。
// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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); 
  }
}

从AQS的静态代码块可以看出,都是获取一个对象的属性相对于该对象在内存当中的偏移量,这样我们就可以根据这个偏移量在对象内存当中找到这个属性。tailOffset指的是tail对应的偏移量,所以这个时候会将new出来的Node置为当前队列的尾节点。同时,由于是双向链表,也需要将前一个节点指向尾节点。

  • 如果Pred指针是Null(说明等待队列中没有元素),或者当前Pred指针和Tail指向的位置不同(说明被别的线程已经修改),就需要看一下Enq的方法。
// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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;
            }
        }
    }
}

如果没有被初始化,需要进行初始化一个头结点出来。但请注意,初始化的头结点并不是当前线程节点,而是调用了无参构造函数的节点。如果经历了初始化或者并发导致队列中有元素,则与之前的方法相同。其实,addWaiter就是一个在双端链表添加尾节点的操作,需要注意的是,双端链表的头结点是一个无参构造函数的头结点。

总结一下,线程获取锁的时候,过程大体如下:

  1. 当没有线程获取到锁时,线程1获取锁成功。
  2. 线程2申请锁,但是锁被线程1占有。

  1. 如果再有线程要获取锁,依次在队列中往后排队即可。

回到上边的代码,hasQueuedPredecessors是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法。如果返回False,说明当前线程可以争取共享资源;如果返回True,说明队列中存在有效节点,当前线程必须加入到等待队列中。

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    // The correctness of this depends on head being initialized
    // before tail and on head.next being accurate if the current
    // thread is first in queue.
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

看到这里,我们理解一下h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());为什么要判断的头结点的下一个节点?第一个节点储存的数据是什么?

双向链表中,第一个节点为虚节点,其实并不存储任何信息,只是占位。真正的第一个有数据的节点,是在第二个节点开始的。当h != t时: 如果(s = h.next) == null,等待队列正在有线程进行初始化,但只是进行到了Tail指向Head,没有将Head指向Tail,此时队列中有元素,需要返回True(这块具体见下边代码分析)。 如果(s = h.next) != null,说明此时队列中至少有一个有效节点。如果此时s.thread == Thread.currentThread(),说明等待队列的第一个有效节点中的线程与当前线程相同,那么当前线程是可以获取资源的;如果s.thread != Thread.currentThread(),说明等待队列的第一个有效节点线程与当前线程不同,当前线程必须加入进等待队列。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#enq

if (t == null) { // Must initialize
    if (compareAndSetHead(new Node()))
        tail = head;
} else {
    node.prev = t;
    if (compareAndSetTail(t, node)) {
        t.next = node;
        return t;
    }
}

节点入队不是原子操作,所以会出现短暂的head != tail,此时Tail指向最后一个节点,而且Tail指向Head。如果Head没有指向Tail(可见5、6、7行),这种情况下也需要将相关线程加入队列中。所以这块代码是为了解决极端情况下的并发问题。

2.3.1.3 等待队列中线程出队列时机

回到最初的源码:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

上文解释了addWaiter方法,这个方法其实就是把对应的线程以Node的数据结构形式加入到双端队列里,返回的是一个包含该线程的Node。而这个Node会作为参数,进入到acquireQueued方法中。acquireQueued方法可以对排队中的线程进行“获锁”操作。

总的来说,一个线程获取锁失败了,被放入等待队列,acquireQueued会把放入队列中的线程不断去获取锁,直到获取成功或者不再需要获取(中断)。

下面我们从“何时出队列?”和“如何出队列?”两个方向来分析一下acquireQueued源码:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标记是否成功拿到资源
    boolean failed = true;
    try {
        // 标记等待过程中是否中断过
        boolean interrupted = false;
        // 开始自旋,要么获取锁,要么中断
        for (;;) {
            // 获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果p是头结点,说明当前节点在真实数据队列的首部,就尝试获取锁(别忘了头结点是虚节点)
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 获取锁成功,头指针移动到当前node
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 说明p为头节点且当前没有获取到锁(可能是非公平锁被抢占了)或者是p不为头结点,这个时候就要判断当前node是否要被阻塞(被阻塞条件:前驱节点的waitStatus为-1),防止无限循环浪费资源。具体两个方法下面细细分析
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

注:setHead方法是把当前节点置为虚节点,但并没有修改waitStatus,因为它是一直需要用的数据。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

// 靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 获取头结点的节点状态
    int ws = pred.waitStatus;
    // 说明头结点处于唤醒状态
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true; 
    // 通过枚举值我们知道waitStatus>0是取消状态
    if (ws > 0) {
        do {
            // 循环向前查找取消节点,把取消节点从队列中剔除
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 设置前任节点等待状态为SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

parkAndCheckInterrupt主要用于挂起当前线程,阻塞调用栈,返回当前线程的中断状态。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

上述方法的流程图如下:

从上图可以看出,跳出当前循环的条件是当“前置节点是头结点,且当前线程获取锁成功”。为了防止因死循环导致CPU资源被浪费,我们会判断前置节点的状态来决定是否要将当前线程挂起,具体挂起流程用流程图表示如下(shouldParkAfterFailedAcquire流程):

从队列中释放节点的疑虑打消了,那么又有新问题了:

  • shouldParkAfterFailedAcquire中取消节点是怎么生成的呢?什么时候会把一个节点的waitStatus设置为-1?
  • 是在什么时间释放节点通知到被挂起的线程呢?

2.3.2 CANCELLED状态节点生成

acquireQueued方法中的Finally代码:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
    ...
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                ...
                failed = false;
        ...
            }
            ...
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

通过cancelAcquire方法,将Node的状态标记为CANCELLED。接下来,我们逐行来分析这个方法的原理:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private void cancelAcquire(Node node) {
  // 将无效节点过滤
    if (node == null)
        return;
  // 设置该节点不关联任何线程,也就是虚节点
    node.thread = null;
    Node pred = node.prev;
  // 通过前驱节点,跳过取消状态的node
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;
  // 获取过滤后的前驱节点的后继节点
    Node predNext = pred.next;
  // 把当前node的状态设置为CANCELLED
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
  // 如果当前节点是尾节点,将从后往前的第一个非取消状态的节点设置为尾节点
  // 更新失败的话,则进入else,如果更新成功,将tail的后继节点设置为null
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        int ws;
    // 如果当前节点不是head的后继节点,1:判断当前节点前驱节点的是否为SIGNAL,2:如果不是,则把前驱节点设置为SINGAL看是否成功
    // 如果1和2中有一个为true,再判断当前节点的线程是否为null
    // 如果上述条件都满足,把当前节点的前驱节点的后继指针指向当前节点的后继节点
        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 {
      // 如果当前节点是head的后继节点,或者上述条件不满足,那就唤醒当前节点的后继节点
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}

当前的流程:

  • 获取当前节点的前驱节点,如果前驱节点的状态是CANCELLED,那就一直往前遍历,找到第一个waitStatus <= 0的节点,将找到的Pred节点和当前Node关联,将当前Node设置为CANCELLED。
  • 根据当前节点的位置,考虑以下三种情况:

(1) 当前节点是尾节点。

(2) 当前节点是Head的后继节点。

(3) 当前节点不是Head的后继节点,也不是尾节点。

根据上述第二条,我们来分析每一种情况的流程。

当前节点是尾节点。

当前节点是Head的后继节点。

当前节点不是Head的后继节点,也不是尾节点。

通过上面的流程,我们对于CANCELLED节点状态的产生和变化已经有了大致的了解,但是为什么所有的变化都是对Next指针进行了操作,而没有对Prev指针进行操作呢?什么情况下会对Prev指针进行操作?

执行cancelAcquire的时候,当前节点的前置节点可能已经从队列中出去了(已经执行过Try代码块中的shouldParkAfterFailedAcquire方法了),如果此时修改Prev指针,有可能会导致Prev指向另一个已经移除队列的Node,因此这块变化Prev指针不安全。 shouldParkAfterFailedAcquire方法中,会执行下面的代码,其实就是在处理Prev指针。shouldParkAfterFailedAcquire是获取锁失败的情况下才会执行,进入该方法后,说明共享资源已被获取,当前节点之前的节点都不会出现变化,因此这个时候变更Prev指针比较安全。

do {
    node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);

2.3.3 如何解锁

我们已经剖析了加锁过程中的基本流程,接下来再对解锁的基本流程进行分析。由于ReentrantLock在解锁的时候,并不区分公平锁和非公平锁,所以我们直接看解锁的源码:

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock

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

可以看到,本质释放锁的地方,是通过框架来完成的。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

在ReentrantLock里面的公平锁和非公平锁的父类Sync定义了可重入锁的释放锁机制。

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync

// 方法返回当前锁是不是没有被线程持有
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 减少可重入次数
    int c = getState() - releases;
    // 当前线程不是持有锁的线程,抛出异常
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 如果持有线程全部释放,将当前独占锁所有线程设置为null,并更新state
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

我们来解释下述源码:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

public final boolean release(int arg) {
    // 上边自定义的tryRelease如果返回true,说明该锁没有被任何线程持有
    if (tryRelease(arg)) {
        // 获取头结点
        Node h = head;
        // 头结点不为空并且头结点的waitStatus不是初始化节点情况,解除线程挂起状态
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

这里的判断条件为什么是h != null && h.waitStatus != 0?

h == null Head还没初始化。初始情况下,head == null,第一个节点入队,Head会被初始化一个虚拟节点。所以说,这里如果还没来得及入队,就会出现head == null 的情况。

h != null && waitStatus == 0 表明后继节点对应的线程仍在运行中,不需要唤醒。

h != null && waitStatus < 0 表明后继节点可能被阻塞了,需要唤醒。

再看一下unparkSuccessor方法:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 获取头结点waitStatus
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 获取当前节点的下一个节点
    Node s = node.next;
    // 如果下个节点是null或者下个节点被cancelled,就找到队列最开始的非cancelled的节点
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 就从尾部节点开始找,到队首,找到队列第一个waitStatus<0的节点。
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果当前节点的下个节点不为空,而且状态<=0,就把当前节点unpark
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

为什么要从后往前找第一个非Cancelled的节点呢?原因如下。

之前的addWaiter方法:

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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;
}

我们从这里可以看到,节点入队并不是原子操作,也就是说,node.prev = pred; compareAndSetTail(pred, node) 这两个地方可以看作Tail入队的原子操作,但是此时pred.next = node;还没执行,如果这个时候执行了unparkSuccessor方法,就没办法从前往后找了,所以需要从后往前找。还有一点原因,在产生CANCELLED状态节点的时候,先断开的是Next指针,Prev指针并未断开,因此也是必须要从后往前遍历才能够遍历完全部的Node。

综上所述,如果是从前往后找,由于极端情况下入队的非原子操作和CANCELLED节点产生过程中断开Next指针的操作,可能会导致无法遍历所有的节点。所以,唤醒对应的线程后,对应的线程就会继续往下执行。继续执行acquireQueued方法以后,中断如何处理?

2.3.4 中断恢复后的执行流程

唤醒后,会执行return Thread.interrupted();,这个函数返回的是当前执行线程的中断状态,并清除。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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

再回到acquireQueued代码,当parkAndCheckInterrupt返回True或者False的时候,interrupted的值不同,但都会执行下次循环。如果这个时候获取锁成功,就会把当前interrupted返回。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

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);
    }
}

如果acquireQueued为True,就会执行selfInterrupt方法。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

该方法其实是为了中断线程。但为什么获取了锁以后还要中断线程呢?这部分属于Java提供的协作式中断知识内容,感兴趣同学可以查阅一下。这里简单介绍一下:

  1. 当中断线程被唤醒时,并不知道被唤醒的原因,可能是当前线程在等待中被中断,也可能是释放了锁以后被唤醒。因此我们通过Thread.interrupted()方法检查中断标记(该方法返回了当前线程的中断状态,并将当前线程的中断标识设置为False),并记录下来,如果发现该线程被中断过,就再中断一次。
  2. 线程在等待资源的过程中被唤醒,唤醒后还是会不断地去尝试获取锁,直到抢到锁为止。也就是说,在整个流程中,并不响应中断,只是记录中断记录。最后抢到锁返回了,那么如果被中断过的话,就需要补充一次中断。

这里的处理方式主要是运用线程池中基本运作单元Worder中的runWorker,通过Thread.interrupted()进行额外的判断处理,感兴趣的同学可以看下ThreadPoolExecutor源码。

2.3.5 小结

我们在1.3小节中提出了一些问题,现在来回答一下。

Q:某个线程获取锁失败的后续流程是什么呢?

A:存在某种排队等候机制,线程继续等待,仍然保留获取锁的可能,获取锁流程仍在继续。

Q:既然说到了排队等候机制,那么就一定会有某种队列形成,这样的队列是什么数据结构呢?

A:是CLH变体的FIFO双端队列。

Q:处于排队等候机制中的线程,什么时候可以有机会获取锁呢?

A:可以详细看下2.3.1.3小节。

Q:如果处于排队等候机制中的线程一直无法获取锁,需要一直等待么?还是有别的策略来解决这一问题?

A:线程所在节点的状态会变成取消状态,取消状态的节点会从队列中释放,具体可见2.3.2小节。

Q:Lock函数通过Acquire方法进行加锁,但是具体是如何加锁的呢?

A:AQS的Acquire会调用tryAcquire方法,tryAcquire由各个自定义同步器实现,通过tryAcquire完成加锁过程。

3 AQS应用

3.1 ReentrantLock的可重入应用

ReentrantLock的可重入性是AQS很好的应用之一,在了解完上述知识点以后,我们很容易得知ReentrantLock实现可重入的方法。在ReentrantLock里面,不管是公平锁还是非公平锁,都有一段逻辑。

公平锁:

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync#tryAcquire

if (c == 0) {
    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;
}

非公平锁:

// java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync#nonfairTryAcquire

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;
}

从上面这两段都可以看到,有一个同步状态State来控制整体可重入的情况。State是Volatile修饰的,用于保证一定的可见性和有序性。

// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer

private volatile int state;

接下来看State这个字段主要的过程:

  1. State初始化的时候为0,表示没有任何线程持有锁。
  2. 当有线程持有该锁时,值就会在原来的基础上+1,同一个线程多次获得锁是,就会多次+1,这里就是可重入的概念。
  3. 解锁也是对这个字段-1,一直到0,此线程对锁释放。

3.2 JUC中的应用场景

除了上边ReentrantLock的可重入性的应用,AQS作为并发编程的框架,为很多其他同步工具提供了良好的解决方案。下面列出了JUC中的几种同步工具,大体介绍一下AQS的应用场景:

同步工具 同步工具与AQS的关联
ReentrantLock 使用AQS保存锁重复持有的次数。当一个线程获取锁时,ReentrantLock记录当前获得锁的线程标识,用于检测是否重复获取,以及错误线程试图解锁操作时异常情况的处理。
Semaphore 使用AQS同步状态来保存信号量的当前计数。tryRelease会增加计数,acquireShared会减少计数。
CountDownLatch 使用AQS同步状态来表示计数。计数为0时,所有的Acquire操作(CountDownLatch的await方法)才可以通过。
ReentrantReadWriteLock 使用AQS同步状态中的16位保存写锁持有的次数,剩下的16位用于保存读锁的持有次数。
ThreadPoolExecutor Worker利用AQS同步状态实现对独占线程变量的设置(tryAcquire和tryRelease)。

3.3 自定义同步工具

了解AQS基本原理以后,按照上面所说的AQS知识点,自己实现一个同步工具。

public class LeeLock  {

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire (int arg) {
            return compareAndSetState(0, 1);
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease (int arg) {
            setState(0);
            return true;
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively () {
            return getState() == 1;
        }
    }
    
    private Sync sync = new Sync();
    
    public void lock () {
        sync.acquire(1);
    }
    
    public void unlock () {
        sync.release(1);
    }
}

通过我们自己定义的Lock完成一定的同步功能。

public class LeeMain {

    static int count = 0;
    static LeeLock leeLock = new LeeLock();

    public static void main (String[] args) throws InterruptedException {

        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run () {
                try {
                    leeLock.lock();
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        count++;
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    leeLock.unlock();
                }

            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

上述代码每次运行结果都会是20000。通过简单的几行代码就能实现同步功能,这就是AQS的强大之处。

总结

我们日常开发中使用并发的场景太多,但是对并发内部的基本框架原理了解的人却不多。由于篇幅原因,本文仅介绍了可重入锁ReentrantLock的原理和AQS原理,希望能够成为大家了解AQS和ReentrantLock等同步器的“敲门砖”。

参考资料

  • Lea D. The java. util. concurrent synchronizer framework[J]. Science of Computer Programming, 2005, 58(3): 293-309.
  • 《Java并发编程实战》
  • 不可不说的Java“锁”事

作者简介

李卓,美团点评住宿度假研发中心Java研发工程师,2018年加入美团点评。

作者:美团技术团队

来源:https://tech.meituan.com/2019/12/05/aqs-theory-and-apply.html


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