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死磕 java同步系列之AQS起篇

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彤哥
发布2019-07-08 15:25:54
3690
发布2019-07-08 15:25:54
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文章被收录于专栏:彤哥读源码


问题

(1)AQS是什么?

(2)AQS的定位?

(3)AQS的实现原理?

(4)基于AQS实现自己的锁?

简介

AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer,它的定位是为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架。

AQS是基于FIFO的队列实现的,并且内部维护了一个状态变量state,通过原子更新这个状态变量state即可以实现加锁解锁操作。

本章及后续章节的内容理解起来可能会比较晦涩,建议先阅读彤哥上一章的内容【死磕 java同步系列之自己动手写一个锁Lock】。

核心源码

主要内部类

代码语言:javascript
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static final class Node {    // 标识一个节点是共享模式    static final Node SHARED = new Node();    // 标识一个节点是互斥模式    static final Node EXCLUSIVE = null;
    // 标识线程已取消    static final int CANCELLED =  1;    // 标识后继节点需要唤醒    static final int SIGNAL    = -1;    // 标识线程等待在一个条件上    static final int CONDITION = -2;    // 标识后面的共享锁需要无条件的传播(共享锁需要连续唤醒读的线程)    static final int PROPAGATE = -3;
    // 当前节点保存的线程对应的等待状态    volatile int waitStatus;
    // 前一个节点    volatile Node prev;
    // 后一个节点    volatile Node next;
    // 当前节点保存的线程    volatile Thread thread;
    // 下一个等待在条件上的节点(Condition锁时使用)    Node nextWaiter;
    // 是否是共享模式    final boolean isShared() {        return nextWaiter == SHARED;    }
    // 获取前一个节点    final Node predecessor() throws NullPointerException {        Node p = prev;        if (p == null)            throw new NullPointerException();        else            return p;    }
    // 节点的构造方法    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker    }
    // 节点的构造方法    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter        // 把共享模式还是互斥模式存储到nextWaiter这个字段里面了        this.nextWaiter = mode;        this.thread = thread;    }
    // 节点的构造方法    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition        // 等待的状态,在Condition中使用        this.waitStatus = waitStatus;        this.thread = thread;    }}

典型的双链表结构,节点中保存着当前线程、前一个节点、后一个节点以及线程的状态等信息。

主要属性

代码语言:javascript
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// 队列的头节点private transient volatile Node head;// 队列的尾节点private transient volatile Node tail;// 控制加锁解锁的状态变量private volatile int state;

定义了一个状态变量和一个队列,状态变量用来控制加锁解锁,队列用来放置等待的线程。

注意,这几个变量都要使用volatile关键字来修饰,因为是在多线程环境下操作,要保证它们的值修改之后对其它线程立即可见。

这几个变量的修改是直接使用的Unsafe这个类来操作的:

代码语言:javascript
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// 获取Unsafe类的实例,注意这种方式仅限于jdk自己使用,普通用户是无法这样调用的private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();// 状态变量state的偏移量private static final long stateOffset;// 头节点的偏移量private static final long headOffset;// 尾节点的偏移量private static final long tailOffset;// 等待状态的偏移量(Node的属性)private static final long waitStatusOffset;// 下一个节点的偏移量(Node的属性)private static final long nextOffset;
static {    try {        // 获取state的偏移量        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));        // 获取head的偏移量        headOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));        // 获取tail的偏移量        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));        // 获取waitStatus的偏移量        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));        // 获取next的偏移量        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset            (Node.class.getDeclaredField("next"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}
// 调用Unsafe的方法原子更新stateprotected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);}

关于Unsafe类的讲解请参考彤哥之前写的【死磕 java魔法类之Unsafe解析】。

子类需要实现的主要方法

我们可以看到AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer,它本质上是一个抽象类,说明它本质上应该是需要子类来实现的,那么子类实现一个同步器需要实现哪些方法呢?

代码语言:javascript
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// 互斥模式下使用:尝试获取锁protected boolean tryAcquire(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 互斥模式下使用:尝试释放锁protected boolean tryRelease(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 共享模式下使用:尝试获取锁protected int tryAcquireShared(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 共享模式下使用:尝试释放锁protected boolean tryReleaseShared(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}// 如果当前线程独占着锁,返回trueprotected boolean isHeldExclusively() {    throw new UnsupportedOperationException();}

问题:这几个方法为什么不直接定义成抽象方法呢?

因为子类只要实现这几个方法中的一部分就可以实现一个同步器了,所以不需要定义成抽象方法。

下面我们通过一个案例来介绍AQS中的部分方法。

基于AQS自己动手写一个锁

直接上代码:

代码语言:javascript
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public class MyLockBaseOnAqs {
    // 定义一个同步器,实现AQS类    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        // 实现tryAcquire(acquires)方法        @Override        public boolean tryAcquire(int acquires) {            if (compareAndSetState(0, 1)) {                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                return true;            }            return false;        }        // 实现tryRelease(releases)方法        @Override        protected boolean tryRelease(int releases) {            setExclusiveOwnerThread(null);            setState(0);            return true;        }    }
    // 声明同步器    private final Sync sync = new Sync();
    // 加锁    public void lock() {        sync.acquire(1);    }
    // 解锁    public void unlock() {        sync.release(1);    }

    private static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        MyLockBaseOnAqs lock = new MyLockBaseOnAqs();
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);
        IntStream.range(0, 1000).forEach(i -> new Thread(() -> {            lock.lock();
            try {                IntStream.range(0, 10000).forEach(j -> {                    count++;                });            } finally {                lock.unlock();            }//            System.out.println(Thread.currentThread().getName());            countDownLatch.countDown();        }, "tt-" + i).start());
        countDownLatch.await();
        System.out.println(count);    }}

运行main()方法总是打印出10000000(一千万),说明这个锁也是可以直接使用的,当然这也是一个不可重入的锁。

是不是很简单,只需要简单地实现AQS的两个方法就完成了上一章彤哥自己动手实现的锁的功能。

它是怎么实现的呢?

我们这一章先不讲源码,后面学习了ReentrantLock自然就明白了。

总结

这一章就到此结束了,本篇没有去深入的解析AQS的源码,笔者认为这没有必要,因为对于从来都没有看过锁相关的源码的同学来说,一上来就讲AQS的源码肯定会一脸懵逼的,具体的源码我们穿插在后面的锁和同步器的部分来学习,等所有跟AQS相关的源码学习完毕了,再来一篇总结。

下面总结一下这一章的主要内容:

(1)AQS是Java中几乎所有锁和同步器的一个基础框架,这里说的是“几乎”,因为有极个别确实没有通过AQS来实现;

(2)AQS中维护了一个队列,这个队列使用双链表实现,用于保存等待锁排队的线程;

(3)AQS中维护了一个状态变量,控制这个状态变量就可以实现加锁解锁操作了;

(4)基于AQS自己动手写一个锁非常简单,只需要实现AQS的几个方法即可。

彩蛋

上一章彤哥自己动手写的锁,其实可以看成是AQS的一个缩影,看懂了那个基本上AQS可以看懂一半了,因为彤哥那个里面没有写Condition相关的内容,下一章ReentrantLock重入锁中我们将一起学习Condition相关的内容。

所以呢,还是建议大家去看看这篇文章,点击下面的推荐阅读可以直达。

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原始发表:2019-05-27,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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