JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3)

概述

前文「JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)」分析了 AQS 在独占模式下获取资源的流程,本文分析共享模式下的相关操作。

其实二者的操作大部分是类似的,理解了前面对独占模式的分析,再分析共享模式就相对容易了。

共享模式

方法概述

与独占模式类似,共享模式下也有与之类似的相应操作,分别如下:

1. acquireShared(int arg): 以共享模式获取资源,忽略中断;

2. acquireSharedInterruptibly(int arg): 以共享模式获取资源,响应中断;

3. tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout): 以共享模式获取资源,响应中断,且有超时等待;

4. releaseShared(int arg): 释放资源,唤醒后继节点,并确保传播。

它们的操作与独占模式也比较类似,下面具体分析。

方法分析

1. 共享模式获取资源(忽略中断)

acquireShared:

public final void acquireShared(int arg) {
    // 返回值小于 0,表示获取失败
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

// 尝试以共享模式获取资源(返回值为 int 类型)
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

与独占模式的 tryAcquire 方法类似,tryAcquireShared 方法在 AQS 中也抛出异常,由子类实现其逻辑。

不同的地方在于,tryAcquire 方法的返回结果是 boolean 类型,表示获取成功与否;而 tryAcquireShared 的返回结果是 int 类型,分别为:

1) 负数:表示获取失败;

2) 0:表示获取成功,但后续共享模式的获取会失败;

3) 正数:表示获取成功,后续共享模式的获取可能会成功(需要进行检测)。

若 tryAcquireShared 获取成功,则直接返回;否则执行 doAcquireShared 方法:

private void doAcquireShared(int arg) {
    // 把当前线程封装成共享模式的 Node 节点,插入主队列末尾
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        // 中断标志位
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 若前驱节点为头节点,则尝试获取资源
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                // 这里表示当前线程成功获取到了资源
                if (r >= 0) {
                    // 设置头节点,并传播状态(注意这里与独占模式不同)
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 是否应该休眠(与独占模式相同,不再赘述)
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            // 取消操作(与独占模式相同)
            cancelAcquire(node);
    }
}

doAcquireShared 方法会把当前线程封装成一个共享模式(SHARED)的节点,并插入主队列末尾。addWaiter(Node mode) 方法前文已经分析过,不再赘述。

该方法与 acquireQueued 方法的区别在于 setHeadAndPropagate 方法,把当前节点设置为头节点之后,还会有传播(propagate)行为:

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    // 记录旧的头节点
    Node h = head; // Record old head for check below
    // 将 node 设置为头节点
    setHead(node);
    /*
     * Try to signal next queued node if:
     *   Propagation was indicated by caller,
     *     or was recorded (as h.waitStatus either before
     *     or after setHead) by a previous operation
     *     (note: this uses sign-check of waitStatus because
     *      PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)
     * and
     *   The next node is waiting in shared mode,
     *     or we don't know, because it appears null
     *
     * The conservatism in both of these checks may cause
     * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple
     * racing acquires/releases, so most need signals now or soon
     * anyway.
     */
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        // 后继节点为空或共享模式唤醒
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

doReleaseShared:

private void doReleaseShared() {
    /*
     * Ensure that a release propagates, even if there are other
     * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
     * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
     * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
     * ensure that upon release, propagation continues.
     * Additionally, we must loop in case a new node is added
     * while we are doing this. Also, unlike other uses of
     * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
     * fails, if so rechecking.
     */
    for (;;) {
        // 这里的头节点已经是上面设置后的头节点了
        Node h = head;
        // 由于该方法有两个入口(setHeadAndPropagate 和 releaseShared),需考虑并发控制
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 唤醒后继节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        // 若头节点不变,则跳出循环;否则继续循环
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

该方法与独占模式下的获取方法 acquire 大体相似,不同在于该方法中,节点获取资源后会传播状态,即,有可能会继续唤醒后继节点。值得注意的是:该方法有两个入口 setHeadAndPropagate 和 releaseShared,可能有多个线程操作,需考虑并发控制。

此外,本人对于将节点设置为 PROPAGATE 状态的理解还不是很清晰,网上说法也不止一种,待后续研究明白再补充。

2. 以共享模式获取资源(响应中断)

该方法与 acquireShared 类似:

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

tryAcquireShared 方法前面已分析,若获取资源失败,则会执行 doAcquireSharedInterruptly 方法:

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 把当前线程封装成共享模式节点,并插入主队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 与 doAcquireShared 相比,区别在于这里抛出了异常
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

从代码可以看到,acquireSharedInterruptibly 方法与 acquireShared 方法几乎完全一样,不同之处仅在于前者会抛出 InterruptedException 异常响应中断;而后者仅记录标志位,获取结束后才响应。

3. 以共享模式获取资源(响应中断,且有超时)

代码如下(该方法可与前文独占模式下的超时获取方法比较分析):

public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
        doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

doAcquireSharedNanos:

private boolean doAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return true;
                }
            }
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

该方法可与独占模式下的超时等待方法 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) 进行对比,二者操作基本一致,不再详细分析。

4. 释放资源,唤醒节点,传播状态

如下:

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

tryReleaseShared:

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

doReleaseShared() 方法前面已经分析过了。本方法与独占模式的 release 方法类似,不同的地方在于“传播”二字。

场景分析

为了便于理解独占模式和共享模式下队列和节点的状态,下面简要举例分析。

场景如下:有 T0~T4 共 5 个线程按先后顺序获取资源,其中 T2 和 T3 为共享模式,其他均为独占模式。

就此场景分析:T0 先获取到资源(假设占用时间较长),而后 T1~T4 再获取则失败,会依次进入主队列。此时主队列中各个节点的状态示意图如下:

之后,T0 操作完毕并释放资源,会将 T1 唤醒。T1(独占模式) 会从 acquireQueued(final Node node, int arg) 方法的循环中继续获取资源,这时会获取成功,并将 T1 设置为头节点(T 被移除)。此时主队列节点示意图如下:

此时,T1 获取到资源并进行相关操作。

而后,T1 操作完释放资源,并唤醒下一个节点 T2,T2(共享模式) 继续从 doAcquireShared(int) 方法的循环中执行。此时 T2 获取资源成功,将自身设为头节点(T1 被移除),由于后继节点 T3 也是共享模式,因此 T1 会继续唤醒 T3;T3 唤醒后的操作与 T2 相同,但后继节点 T4 不是共享模式,因此不再继续唤醒。此时队列节点状态示意图如下:

此时,T2 和 T3 同时获取到资源。

之后,当二者都释放资源后会唤醒 T4:

T4 获取资源的与 T1 类似。

PS: 该场景仅供参考,只为便于理解,若有不当之处敬请指正。

小结

本文分析了以共享模式获取资源的三种方式,以及释放资源的操作。分别为:

1. acquireShared: 共享模式获取资源,忽略中断;

2. acquireSharedInterruptibly: 共享模式获取资源,响应中断;

3. tryAcquireSharedNanos: 共享模式获取资源,响应中断,有超时;

4. releaseShared: 释放资源,唤醒后继节点,并确保传播。

并简要分析一个场景下主队列中各个节点的状态。此外,AQS 中还有嵌套类 ConditionObject 及条件队列的相关操作,后面涉及到的时候再进行分析。

单独去分析 AQS 的源码比较枯燥,后文会结合 ReentrantLock、CountdownLatch 等常用并发工具类的源码进行分析。

上述解析是参考其他资料及个人理解,若有不当之处欢迎指正。

相关阅读:

JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)

JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(1)

Stay hungry, stay foolish.

原文发布于微信公众号 - WriteOnRead(WriteOnRead)

原文发表时间:2019-06-13

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