【Java 并发】 之 AQS 详解 & volatile关键字CPU内存架构volatile关键字的作用

Java并发之AQS详解

谈到并发,不得不谈ReentrantLock;而谈到ReentrantLock,不得不谈AbstractQueuedSynchronizer(AQS)!

类如其名,抽象的队列式的同步器,AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架,许多同步类实现都依赖于它,如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

image.png

它维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。这里volatile是核心关键词,具体volatile的语义,见文末。state的访问方式有三种:

getState() setState() compareAndSetState() AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:

isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。 tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。 tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。 tryAcquireShared(int):共享方式。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。 tryReleaseShared(int):共享方式。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。

以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但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。

acquire()的流程的流程图如下:

image

  1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;
  2. 没成功,则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
  3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息,有机会时(轮到自己,会被unpark())会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。

AtomicInteger.increment方法能保证原子性,而简单的++运算却不能保证原子性。

CPU内存架构

现代计算机都是多处理机CPU,每个核心(Core)都有一套寄存器,CPU访问寄存器的速度是最快的,但是访问RAM内存速度相对来说要慢很多,所以为了解决寄存器与内存速度的不协调问题,每个CPU内核都会有一级或多级高速缓存(Cache):

CPU内存架构

当两个线程同时运行的时候,可能会出现下面的情况:两个线程同时使用一个共享变量,会在Cache中缓存该变量,当一个线程修改共享变量时,Cache未能及时将修改的值放回RAM,导致另一个线程不能读取修改后的值。

线程共享变量出现的问题

volatile关键字的作用

前面讲CPU内存架构就是为了说明volatile关键字的作用:用来保证对变量修改后,能立即写回主存,从而保证共享变量的修改对所有线程是可见的。JVM语言规范将该特性称为happens-before

另外,在Java官方教程中讲“原子操作”时,提到平常写代码遇到的最简单的原子操作:

  • 对引用变量(不是引用的对象)和大多数基本类型变量(除了long和double)的读写操作都是原子性的。 为什么long和double除外呢,我个人是这么理解的:因为long和double是8个字节长的,如果程序运行在32位的机器上,JVM需要执行更多的操作来实现long和double的运算。所以JVM 不能保证 long和double类型读写操作的原子性。
  • 对于声明了volatile的所有变量(包括long和double)的读写操作都是原子性的。

从上面的说明我们可以了解到:volatile关键字修饰的所有变量读写操作都是原子性的。那么是不是意味着对volatile修饰的int值进行++操作也是原子性的。答案是否定的,volatile不能保证++--操作的原子性,这里所说的读写操作仅仅是指“取值”和“赋值”操作。

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