JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读

1.AQS是什么

2.能干什么

3.AQS为什么是JUC内容中最重要的基石

4.AQS内部体系架构

5.从我们的ReentrantLock开始解读AQS

6.总结

1.AQS是什么
AQS————全称AbstractQueuedSynchronizer,抽象队列同步器
我们可以看一下源码中的解释:
JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第1张图片
意思就是说,它是用来构建锁或者其它同步器组件的重量级基础框架及整个JUC的基石,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,并通过一个int类变量表示持有锁的状态。

简而言之
1)这是一个基石框架模板方法设计模式
2)就是将获取资源的线程排了个队,让它有序获取资源。

2.能干什么
假设我们在使用ReentrantLock的时候,必然会有线程阻塞,有线程阻塞那就必须排队,就得需要队列。
抢占资源失败的线程继续去等待,但是等候线程任然保留获取锁的可能获取锁的流程还在继续。
这就是AQS,题我们实现了构建锁和队列,以及让线程有序获取资源。

3.AQS为什么是JUC内容中最重要的基石

我们先来看看实现AQS的类具体有哪些:

JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第2张图片

有ReentrantLock,CountDownLatch,ReentrantReadWriteLock,Semaphore等等。

此时我们要理清一个关系:
锁:面向的都是锁的使用者,定义了程序员和锁交互的应用层api,隐藏了实现细节,开发者调用即可。

同步器:面向锁的实现者,比如并发大神DougLee,提出一套规范,并简化了锁的实现,屏蔽了同步状态的管理,阻塞线程排队和通知,唤醒机制等等。

4.AQS内部体系架构

让我们点到源码里面看一下:

我们搜一下下面这个变量

/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;

AQS就是使用上面这一个volatile的int类型的变量来表示被占用的锁的同步状态

再搜一下下面这个变量:

static final class Node {

//还有一些变量没有放出来,重点解释这几个

volatile Node prev;

volatile Node next;

volatile Thread thread;
//....

}

AQS使用这个链表的FIFO对垒来完成资源获取的排队工作,将每条要去抢占的线程封装成一个Node节点来实现锁的分配,通过CAS完成对state值的修改。

也就是说,我们通过队列(管理需要排队的线程)+state变量(管理公共资源类)实现了AQS的基本结构。

我们再来看一下Node内部:

volatile int waitStatus;

Node通过waitState的成员变量来阻塞或者唤醒队列中的线程,waitStatus的状态如图所示,不过也可以看源码注释
JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第3张图片

最后吗,我们用一张图来展示,AQS的基本结构

JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第4张图片

5.从我们的ReentrantLock开始解读AQS

我们从ReentrantLock作为一个突破点,来阅读一下AQS的源码。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(60);   
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

我们点击lock,可以看出,lock底层是调用了一个sync变量的一个lock方法

    public void lock() {
        sync.lock();
    }

而sync:

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//......
}

可以看出:
Lock接口的实现类,基本就是通过聚合了一个队列同步器的子类完成线程的访问控制的。

我们继续往lock里面点,会发现有一个公平锁和一个非公平锁:
JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第5张图片

然后我们继续往里点击,查看抢占锁的acquire方法,会发现会有图上的区别

JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第6张图片

非公平锁抢占资源的时候,不需要判定队列前面是否还有排队线程。

公平锁抢占资源的时候,需要判定度列前是否有排队线程。

那么其实,我们只需要看懂非公平锁的源码,其实也就看懂了公平锁的源码。

我们先梳理一下获取锁的整体流程:

JAVA并发编程——AbstractQueuedSynchronizer之AQS概念和源码阅读_第7张图片

我们从NonfairSync的lock方法开始看:

    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            //当前线程尝试着将锁资源的状态从0变为1
            //如果成功
            //将资源占用的线程设置为本线程
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
            //如果失败
            //走acquire方法
                acquire(1);
        }

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

继续查看acquire(1)方法

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

tryAcquire:

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            //点击这个方法来到下面这个方法
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }


        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            //先获得当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //如果当前锁的状态为0(未被占用状态)
            if (c == 0) {
                //尝试使用cas去占用
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //设置占用该资源的线程为本线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //如果当前锁的状态不为0,但是占用该锁的线程是本线程
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //相当于可重入锁了,然后状态标志位+1
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

addWaiter:

    private Node addWaiter(Node mode) {
       //将当前线程设置为一个Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
       //如果尾节点不为空
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            //将本线程的上一个节点设置为尾节点
            node.prev = pred;
            //使用cas交换尾节点
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //如果尾节点为空,则初始化
        enq(node);
        return node;
    }

    private Node enq(final Node node) {
        //死循环
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //如果尾节点是空,则创建一个傀儡节点
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
             //如果尾节点不为空,则交换尾节点并返回,跳出循环
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

acquireQueued:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //如果node的前一个节点是头节点(队列前再无其它节点),且抢锁成功
                if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                    //设置当前的节点为头结点
                    setHead(node);
                    //原来的头结点的下一个节点置空,帮助GC
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                //如果node 的前一个节点不是投节点
                //更改当前节点的运行状态
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    //暂停该线程
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

selfInterrupt:

    返回该线程的中断状态
    static void selfInterrupt() {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }

再来看看unlock方法:

    public final boolean release(int arg) {
         //尝试释放锁,如果锁的状态是0,则成功释放
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                //唤醒头结点
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

6.总结

今天我们了解了AQS概念和源码阅读,AQS作为整个JUC的基石框架,是非常重要的。

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