AbstractQueuedSynchronizer源码解读

   AbstractQueuedSynchronizer(AQS),是 Java 并发包中,实现各种同步结构和部分其他组成单元(如线程池中的 Worker)的基础。AQS 内部数据和方法,可以简单拆分为:

  • 一个 volatile 的整数成员表征状态(state属性),同时提供了 setState 和 getState 方法。 1: ReentrantLock: 用state变量记录某个线程获取独占锁的次数,获取锁时+1,释放锁时-1,在获取时会校验线程是否可以获取锁。 2:Semaphore: 用state变量作为计数器,只有在大于0时允许线程进入。获取锁时-1,释放锁时+1。 3: CountDownLatch: 用state变量作为计数器,在初始化时指定。只要state还大于0,获取共享锁会因为失败而阻塞,直到计数器的值为0时,共享锁才允许获取,所有等待线程会被逐一唤醒。
  • 一个先入先出(FIFO)的等待线程队列,以实现多线程间竞争和等待,这是 AQS 机制的核心之一。
  • 各种基于 CAS 的基础操作方法,以及各种期望具体同步结构去实现的 acquire/release 方法。

AbstractQueuedSynchronizer关键属性

下面来看看acquire获取锁的部分源码:

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
//定义为final说明子类不能覆盖这个实现过程
    public final void acquire(int arg) {
//这里分别会调用tryAcquire方法用于获取锁,如果失败,会调用addWaiter方法,将当前线的Node加入到FIFO队列里,通过acquireQueued判断当前节点是否为头节点,如果是则试图获取锁,如果不是,则进行等待。
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

//这个方法在AbstractQueuedSynchronizer里留给子类来实现,
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

}

这里分别会调用tryAcquire方法用于获取锁,如果失败,会调用addWaiter方法,将当前线的Node加入到FIFO队列里,通过acquireQueued判断当前节点是否为头节点,如果是则试图获取锁,如果不是,则进行等待。在AbstractQueuedSynchronizer里tryAcquire方法是留给子类来实现的,下面来看看ReentrantLock里的非公平锁是如何实现这里的逻辑的。源码如下:

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
      //非公平锁最终最调用到当前这个方法,传入的acquires为1
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
         int c = getState();// 获取当前 AQS 内部状态量
          if (c == 0) { // 0 表示无人占有,则直接用 CAS 修改状态位,
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {// 不检查排队情况,直接争抢
                      setExclusiveOwnerThread(current);  // 并设置当前线程独占锁
                    return true;
                }
          } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 即使状态不是 0,也可能当前线程是锁持有者,因为这是再入锁
                int nextc = c + acquires;
                  if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
    }
    return false;
}


}

ReentrantLock的公平锁的实现逻辑如下:

   static final class FairSync extends Sync {
//公平锁的实现逻辑
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();// 获取当前 AQS 内部状态量
            if (c == 0) {// 0 表示无人占有,
                if (!hasQueuedPredecessors() && //这里需要判断队列头节点的的下一个节点为空。也就是说不允许线程进行插队。
                    compareAndSetState(0, acquires)) { //为空才会尝试获取锁
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 即使状态不是 0,也可能当前线程是锁持有者,因为这是再入锁
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

接下来再分析 acquireQueued,如果前面的 tryAcquire 失败,代表着锁争抢失败,进入排队竞争阶段。这里就是利用 FIFO 队列,实现线程间对锁的竞争的部分,算是是 AQS 的核心逻辑。源码如下:

//这个方法是不允许子类重写的
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor(); //获取前一个节点
                if (p == head && tryAcquire(arg)) { / 如果前一个节点是头结点,则当前节点是FIFO队列里的第一个节点,则会再次调用tryAcquire方法尝试获取锁。
                    setHead(node); //成功,则设置当前节点为头节点
                    p.next = null; // help GC 清空前面节点对当前节点的引用
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //失败后需要调用park
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed) // 获取锁失败,调用cancelAcquire方法
                cancelAcquire(node);
        }
    }

acquireQueued 的逻辑,简要来说,就是如果当前节点的前面是头节点,则试图获取锁,一切顺利则成为新的头节点;否则,有必要则等待。上面的部分分析了获取锁的逻辑。下面再来看看释放锁的逻辑AbstractQueuedSynchronizer的relase源码如下:

//释放锁需要调用release方法
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
//释放成功后,调用unparkSuccessor方法,让下个节点得到锁
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        
//留给具体的子类来实现
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

//当前节点释放锁,下个节点得到锁状态 
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
//设置当前节点的waitStatus
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//当前节点的下一个节点
        Node s = node.next;
//下一个节点为空情况的处理
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
//下一个节点不为空,则调用LockSupport的unpark方法唤醒线程
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

ReentrantLock里tryRelease的实现如下所示:

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases; //用state减去release, 这个状态是新的状态 
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false; //释放的结果用free来表示
            if (c == 0) { //为零,表求当前没有钱程点用了,
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
  //设置状态 
            setState(c);
            return free;
        }

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