JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(1)

概述

前文「JDK源码分析-Lock&Condition」简要分析了 Lock 接口,它在 JDK 中的实现类主要是 ReentrantLock (可译为“重入锁”)。ReentrantLock 的实现主要依赖于其内部的一个嵌套类 Sync,而 Sync 又继承自 AbstractQueuedSynchronizer (简称 AQS)。而且,不仅 ReentrantLock,其他一些并发工具类如 CountdownLatch、CyclicBarrier 等,其实现也都是基于 AQS 类。AQS 可以理解为并发包中许多类实现的基石。因此,在分析并发包中常用类的实现原理前,有必要先理解一下 AQS,之后再分析的时候就会简单不少。

AQS 内部有一个核心变量 state;此外,以 Node 类为节点维护了两种队列:主队列(main queue)和条件队列(condition queue),简单起见,分别可以将二者理解为双链表和单链表。

AQS 就像是提供了一套基础设施的设备,其它常用类如 ReentrantLock、CountdownLatch 等的内部嵌套类 Sync,都是在 AQS 提供的基础设施之上制定了自己的“游戏规则”,进而生产出了不同的产品。而它们的游戏规则都是围绕 state 变量和这两种队列进行操作的。

PS: 由于 AQS 内容较多,因此打算分多篇文章进行分析,本文先对其整体进行概述。

代码分析

AQS 类签名:

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {}

可以看到它是一个抽象类,不能直接被实例化。它的父类 AbstractOwnableSynchronizer 的主要代码如下:

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

    /**
     * The current owner of exclusive mode synchronization.
     */
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;
    
    // 其他代码
}

其内部主要维护了一个变量 exclusiveOwnerThread,作用是标记独占模式下的 Owner 线程,后面涉及到的时候再进行分析。

嵌套类

AQS 内部有两个嵌套类,分别为 Node 和 ConditionObject。

Node 类代码如下:

static final class Node {
    // 共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    
    // waitStatus的几种状态
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;
    volatile int waitStatus;

    // 前驱节点(主队列)
    volatile Node prev;
    // 后继节点(主队列)
    volatile Node next;
    // 节点的线程
    volatile Thread thread;
    // 后继节点(条件队列)
    Node nextWaiter;

    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }

    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

添加到主队列用的是第二个构造器,Node 类可以理解为对线程 Thread 的封装。因此,在主队列中排队的一个个节点可以理解为一个个有模式(mode)、有状态(waitStatus)的线程。

嵌套类 ConditionObject:

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
    // ...
}

ConditionObject 实现了 Condition 接口,它主要操作的是条件队列,这里只贴了其类签名和头尾节点,后面用到的时候再具体分析。

主要变量

AQS 代码虽长,但它的成员变量却不多,如下:

// 主队列头节点
private transient volatile Node head;

// 主队列尾结点
private transient volatile Node tail;

// 状态,AQS 维护的一个核心变量
private volatile int state;

其中,head 和 tail 为主队列的头尾节点,state 为 AQS 维护的核心变量,ReentrantLock 等类中的 Sync 类实现,都是通过操作 state 来实现各自功能的。

CAS 操作

AQS 内部通过 Unsafe 类实现了一系列 CAS (Compare And Swap) 操作(有关 CAS 的概念这里不再详解,可自行搜索了解):

// 获取 Unsafe 实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// state、head、tail 等变量的内存偏移地址
private static final long stateOffset;
private static final long headOffset;
private static final long tailOffset;
private static final long waitStatusOffset;
private static final long nextOffset;
static {
    try {
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
        headOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("next"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

// 一些 CAS 操作
private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
}

private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}

private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node,
                                                     int expect,
                                                     int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(node, waitStatusOffset,
                                    expect, update);
}

private static final boolean compareAndSetNext(Node node,
                                               Node expect,
                                               Node update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(node, nextOffset, expect, update);
}

AQS 内部的许多操作是通过 CAS 来实现线程安全的。

小结

1. AQS 是一个抽象类,无法直接进行实例化;

2. AQS 内部维护了一个核心变量 state,以及两种队列:主队列(main queue)和条件队列(condition queue);

3. AQS 提供了一套基础设施,ReentrantLock 等类通常用一个内部嵌套类 Sync 继承 AQS,并在 Sync 类中制定自己的“游戏规则”。

本文仅对 AQS 做了概述,后面再详细分析实现原理。此外,还有一个类 AbstractQueuedLongSynchronizer,它与 AQS 基本完全一样,区别在于前者的 state 变量为 long 类型,而 AQS 为 int 类型,不再单独进行分析。

PS: 有几篇文章写得也不错,链接如下:

https://www.cnblogs.com/liuyun1995/p/8400663.html

Stay hungry, stay foolish.

原文发布于微信公众号 - WriteOnRead(WriteOnRead)

原文发表时间:2019-05-31

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