Java併發系列 | AbstractQueuedSynchronizer原始碼分析之概要分析
學習Java併發程式設計不得不去了解一下java.util.concurrent這個包,這個包下面有許多我們經常用到的併發工具類,例如:ReentrantLock, CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore等。而這些類的底層實現都依賴於AbstractQueuedSynchronizer這個類,由此可見這個類的重要性。
所以在Java併發系列文章中我首先對AbstractQueuedSynchronizer這個類進行分析,由於這個類比較重要,而且程式碼比較長,為了儘可能分析的透徹一些,我決定用四篇文章對該類進行一個比較完整的介紹。本篇文章作為概要介紹主要是讓讀者們對該類有個初步瞭解。為了敘述簡單,後續有些地方會用AQS代表這個類。
1、AbstractQueuedSynchronizer這個類是幹嘛的?
相信要許多讀者使用過ReentrantLock,但是卻不知道AbstractQueuedSynchronizer的存在。其實ReentrantLock實現了一個內部類Sync,該內部類繼承了AbstractQueuedSynchronizer,所有鎖機制的實現都是依賴於Sync內部類,也可以說ReentrantLock的實現就是依賴於AbstractQueuedSynchronizer類。
於此類似,CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore這些類也是採用同樣的方式來實現自己對於鎖的控制。可見,AbstractQueuedSynchronizer是這些類的基石。那麼AQS內部到底實現了什麼以至於所以這些類都要依賴於它呢?
可以這樣說,AQS為這些類提供了基礎設施,也就是提供了一個密碼鎖,這些類擁有了密碼鎖之後可以自己來設定密碼鎖的密碼。此外,AQS還提供了一個排隊區,並且提供了一個執行緒訓導員,我們知道執行緒就像一個原始的野蠻人,它不懂得講禮貌,它只會橫衝直撞,所以你得一步一步去教它,告訴它什麼時候需要去排隊了,要到哪裡去排隊,排隊前要做些什麼,排隊後要做些什麼。
這些教化工作全部都由AQS幫你完成了,從它這裡教化出來的執行緒都變的非常文明懂禮貌,不再是原始的野蠻人,所以以後我們只需要和這些文明的執行緒打交道就行了,千萬不要和原始執行緒有過多的接觸!
2、為何說AbstractQueuedSynchronizer提供了一把密碼鎖?
//同步佇列的頭結點
private transient volatile Node head;
//同步佇列的尾結點
private transient volatile Node tail;
//同步狀態
private volatile int state;
//獲取同步狀態
protected final int getState() {
return state;
}
//設定同步狀態
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//以CAS方式設定同步狀態
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
上面的程式碼列出了AQS的所有成員變數,可以看到AQS的成員變數只有三個,分別是同步佇列頭結點引用,同步佇列尾結點引用以及同步狀態。注意,這三個成員變數都使用了volatile關鍵字進行修飾,這就確保了多個執行緒對它的修改都是記憶體可見的。整個類的核心就是這個同步狀態,可以看到同步狀態其實就是一個int型的變數,大家可以把這個同步狀態看成一個密碼鎖,而且還是從房間裡面鎖起來的密碼鎖,state具體的值就相當於密碼控制著密碼鎖的開合。
當然這個鎖的密碼是多少就由各個子類來規定了,例如在ReentrantLock中,state等於0表示鎖是開的,state大於0表示鎖是鎖著的,而在Semaphore中,state大於0表示鎖是開的,state等於0表示鎖是鎖著的。
3、AbstractQueuedSynchronizer的排隊區是怎樣實現的?
AbstractQueuedSynchronizer內部其實有兩個排隊區,一個是同步佇列,一個是條件佇列。從上圖可以看出,同步佇列只有一條,而條件佇列可以有多條。同步佇列的結點分別持有前後結點的引用,而條件佇列的結點只有一個指向後繼結點的引用。圖中T表示執行緒,每個結點包含一個執行緒,執行緒在獲取鎖失敗後首先進入同步佇列排隊,而想要進入條件佇列該執行緒必須持有鎖才行。接下來我們看看佇列中每個結點的結構。
//同步佇列的結點
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node(); //表示當前執行緒以共享模式持有鎖
static final Node EXCLUSIVE = null; //表示當前執行緒以獨佔模式持有鎖
static final int CANCELLED = 1; //表示當前結點已經取消獲取鎖
static final int SIGNAL = -1; //表示後繼結點的執行緒需要執行
static final int CONDITION = -2; //表示當前結點在條件佇列中排隊
static final int PROPAGATE = -3; //表示後繼結點可以直接獲取鎖
volatile int waitStatus; //表示當前結點的等待狀態
volatile Node prev; //表示同步佇列中的前繼結點
volatile Node next; //表示同步佇列中的後繼結點
volatile Thread thread; //當前結點持有的執行緒引用
Node nextWaiter; //表示條件佇列中的後繼結點
//當前結點狀態是否是共享模式
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
//返回當前結點的前繼結點
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null) {
throw new NullPointerException();
} else {
return p;
}
}
//構造器1
Node() {}
//構造器2, 預設用這個構造器
Node(Thread thread, Node mode) {
//注意持有模式是賦值給nextWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
//構造器3, 只在條件佇列中用到
Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
Node代表同步佇列和條件佇列中的一個結點,它是AbstractQueuedSynchronizer的內部類。Node有很多屬性,比如持有模式,等待狀態,同步佇列中的前繼和後繼,以及條件佇列中的後繼引用等等。可以把同步佇列和條件佇列看成是排隊區,每個結點看成是排隊區的座位,將執行緒看成是排隊的客人。客人剛來時會先去敲敲門,看看鎖有沒有開,如果鎖沒開它就會去排隊區領取一個號碼牌,宣告自己想要以什麼樣的方式來持有鎖,最後再到佇列的末尾進行排隊。
4、怎樣理解獨佔模式和共享模式?
前面講到每個客人在排隊前會領取一個號碼牌,宣告自己想要以什麼樣的方式來佔有鎖,佔有鎖的方式分為獨佔模式和共享模式,那麼怎樣來理解獨佔模式和共享模式呢?實在找不到什麼好的比喻,大家可以聯想一下公共廁所,獨佔模式的人比較霸道,老子要麼就不進,進來了就不許別人再進了,自己一個人獨自佔用整個廁所。
共享模式的人就沒那麼講究了,當它發現這個廁所已經可以用了之後,它自己進來還不算,還得熱心的問下後面的人介不介意一起用,如果後面的人不介意一起使用那就不用再排隊了大家一起上就是了, 當然如果後面的人介意那就只好留在佇列裡繼續排隊了。
5、怎樣理解結點的等待狀態?
我們還看到每個結點都有一個等待狀態,這個等待狀態分為CANCELLED,SIGNAL,CONDITION,PROPAGATE四種狀態。可以將這個等待狀態看作是掛在座位旁邊的牌子,標識當前座位上的人的等待狀態。這個牌子的狀態不僅自己可以修改,其他人也可以修改。例如當這個執行緒在排隊過程中已經打算放棄了,它就會將自己座位上的牌子設定為CANCELLED,這樣其他人看到了就可以將它清理出佇列。
還有一種情況是,當執行緒在座位上要睡著之前,它怕自己睡過了頭,就會將前面位置上的牌子改為SIGNAL,因為每個人在離開佇列前都會回到自己座位上看一眼,如果看到牌子上狀態為SIGNAL,它就會去喚醒下一個人。
只有保證前面位置上的牌子為SIGNAL,當前執行緒才會安心的睡去。CONDITION狀態表示該執行緒在條件佇列中排隊,PROPAGATE狀態提醒後面來的執行緒可以直接獲取鎖,這個狀態只在共享模式用到,後面單獨講共享模式的時候會講到。
6、結點進入同步佇列時會進行哪些操作?
//結點入隊操作, 返回前一個結點
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
//獲取同步佇列尾結點引用
Node t = tail;
//如果尾結點為空說明同步佇列還沒有初始化
if (t == null) {
//初始化同步佇列
if (compareAndSetHead(new Node())) {
tail = head;
}
} else {
//1.指向當前尾結點
node.prev = t;
//2.設定當前結點為尾結點
if (compareAndSetTail(t, node)) {
//3.將舊的尾結點的後繼指向新的尾結點
t.next = node;
//for迴圈唯一的出口
return t;
}
}
}
}
注意,入隊操作使用一個死迴圈,只有成功將結點新增到同步佇列尾部才會返回,返回結果是同步佇列原先的尾結點。下圖演示了整個操作過程。
讀者需要注意新增尾結點的順序,分為三步:指向尾結點,CAS更改尾結點,將舊尾結點的後繼指向當前結點。在併發環境中這三步操作不一定能保證完成,所以在清空同步佇列所有已取消的結點這一操作中,為了尋找非取消狀態的結點,不是從前向後遍歷而是從後向前遍歷的。還有就是每個結點進入佇列中時它的等待狀態是為0,只有後繼結點的執行緒需要掛起時才會將前面結點的等待狀態改為SIGNAL。
注:以上全部分析基於JDK1.7,不同版本間會有差異,讀者需要注意