AQS解析与实战
前言
前段时间在面试，发现面试官都有问到同步器AQS的相关问题。AQS为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架，派生出如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等AQS全家桶。本文基于AQS原理的几个核心点，谈谈对AbstractQueuedSynchronizer的理解，并实现一个自定义同步器。
AQS原理面试题的核心回答要点
- state 状态的维护。
- CLH队列
- ConditionObject通知
- 模板方法设计模式
- 独占与共享模式。
- 自定义同步器。
- AQS全家桶的一些延伸，如：ReentrantLock等。
AQS的类图结构
AQS全称是AbstractQueuedSynchronizer，即抽象同步队列。下面看一下AQS的类图结构：
为了方便下面几个关键点的理解，大家先熟悉一下AQS的类图结构。
state 状态的维护
在AQS中维持了一个单一的共享状态state，来实现同步器同步。看一下state的相关代码如下：
state源码
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
/**
* Returns the current value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
* @return current state value
*/
protected final int getState() {
return state;
}
/**
* Sets the value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
* @param newState the new state value
*/
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
/**
* Atomically sets synchronization state to the given updated
* value if the current state value equals the expected value.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
* and write.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
* value was not equal to the expected value.
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
state 源码设计几个回答要点：
- state用volatile修饰，保证多线程中的可见性。
- getState()和setState()方法采用final修饰，限制AQS的子类重写它们两。
- compareAndSetState（）方法采用乐观锁思想的CAS算法，也是采用final修饰的，不允许子类重写。
CLH队列
谈到CLH队列，我们结合以上state状态，先来看一下AQS原理图：
CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks) 同步队列 是一个FIFO双向队列，其内部通过节点head和tail记录队首和队尾元素，队列元素的类型为Node。AQS依赖它来完成同步状态state的管理，当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
Node节点
CLH同步队列中，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用（thread）、状态（waitStatus）、前驱节点（prev）、后继节点（next），condition队列的后续节点（nextWaiter）如下图：
waitStatus几种状态状态：
我们再看一下CLH队列入列以及出列的代码：
入列
CLH队列入列就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点，当前最后一个节点的next指向当前节点。addWaiter方法如下：
//构造Node
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure（快速尝试添加尾节点）
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}
由以上代码可得，addWaiter设置尾节点失败的话，调用enq(Node node)方法设置尾节点，enq方法如下：
private Node enq(final Node node) {
//死循环尝试，知道成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//tail 不存在，设置为首节点
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
出列
首节点的线程释放同步状态后，将会唤醒它的后继节点（next），而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。可以看一下以下两段源码：
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
Node s = node.next;
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;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
CLH核心几个回答要点
- 双向链表入列出列
- CAS算法设置尾节点+死循环自旋。
CAS算法，可以看一下我工作实战中仿造CAS算法解决并发问题的实现https://juejin.im/post/5d0616ade51d457756536791
ConditionObject
ConditionObject简介
我们都知道，synchronized控制同步的时候，可以配合Object的wait()、notify()，notifyAll() 系列方法可以实现等待/通知模式。而Lock呢？它提供了条件Condition接口，配合await(),signal(),signalAll() 等方法也可以实现等待/通知机制。ConditionObject实现了Condition接口，给AQS提供条件变量的支持 。
Condition队列与CLH队列的那些事
我们先来看一下图：
ConditionObject队列与CLH队列的爱恨情仇：
- 调用了await()方法的线程，会被加入到conditionObject等待队列中，并且唤醒CLH队列中head节点的下一个节点。
- 线程在某个ConditionObject对象上调用了singnal()方法后，等待队列中的firstWaiter会被加入到AQS的CLH队列中，等待被唤醒。
- 当线程调用unLock()方法释放锁时，CLH队列中的head节点的下一个节点(在本例中是firtWaiter)，会被唤醒。
区别：
- ConditionObject对象都维护了一个单独的等待队列 ，AQS所维护的CLH队列是同步队列，它们节点类型相同，都是Node。
独占与共享模式。
AQS支持两种同步模式:独占式和共享式。
独占式
同一时刻仅有一个线程持有同步状态，如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁。
公平锁： 按照线程在队列中的排队顺序，有礼貌的，先到者先拿到锁。
非公平锁： 当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，不讲道理的，谁抢到就是谁的。
acquire(int arg)是独占式获取同步状态的方法，我们来看一下源码：
- acquire(long arg)方法
public final void acquire(long arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
- addWaiter方法
//构造Node
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure（快速尝试添加尾节点）
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}
- acquireQueued(final Node node, long arg)方法
final boolean acquireQueued(final Node node, long arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
- selfInterrupt()方法
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
结合源代码，可得acquire(int arg)方法流程图，如下：
共享式
多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch等都是共享式的产物。
acquireShared(long arg)是共享式获取同步状态的方法，可以看一下源码：
public final void acquireShared(long arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
由上可得，先调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态，如果获取失败，调用doAcquireShared(int arg)自旋方式获取同步状态，方法源码如下：
private void doAcquireShared(long arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
long r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
AQS的模板方法设计模式
模板方法模式
模板方法模式: 在一个方法中定义一个算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。
模板方法模式生活中的例子： 假设我们要去北京旅游，那么我们可以坐高铁或者飞机，或者火车，那么定义交通方式的抽象类，可以有以下模板：买票->安检->乘坐xx交通工具->到达北京。让子类继承该抽象类，实现对应的模板方法。
AQS定义的一些模板方法如下：
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，成功则返回true，失败则返回false。
简言之，就是AQS提供tryAcquire，tryAcquireShared等模板方法，给子类实现自定义的同步器。
自定义同步器。
基于以上分析，我们都知道state，CLH队列，ConditionObject队列 等这些关键点，你要实现自定义锁的话，首先需要确定你要实现的是独占锁还是共享锁，定义原子变量state的含义，再定义一个内部类去继承AQS，重写对应的模板方法。
我们来看一下基于 AQS 实现的不可重入的独占锁的demo，来自《Java并发编程之美》：
public class NonReentrantLock implements Lock,Serializable{
//内部类,自定义同步器
static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//是否锁已经被持有
public boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
//如果state为0 则尝试获取锁
public boolean tryAcquire(int arg) {
assert arg== 1 ;
//CAS设置状态,能保证操作的原子性，当前为状态为0,操作成功状态改为1
if(compareAndSetState(0, 1)){
//设置当前独占的线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//尝试释放锁，设置state为0
public boolean tryRelease(int arg) {
assert arg ==1;
//如果同步器同步器状态等于0,则抛出监视器非法状态异常
if(getState() == 0)
throw new IllegalMonitorStateException();
//设置独占锁的线程为null
setExclusiveOwnerThread(null);
//设置同步状态为0
setState(0);
return true;
}
//返回Condition,每个Condition都包含了一个Condition队列
Condition newCondition(){
return new ConditionObject();
}
}
//创建一个Sync来做具体的工作
private final Sync sync= new Sync ();
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
NonReentrantLockDemoTest:
public class NonReentrantLockDemoTest {
private static NonReentrantLock nonReentrantLock = new NonReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
nonReentrantLock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
nonReentrantLock.unlock();
}
});
thread.start();
}
}
}
运行结果：
AQS全家桶实战
AQS派生出如ReentrantLock、Semaphore等AQS全家桶，接下来可以看一下它们的使用案例。
ReentrantLock
ReentrantLock介绍
- ReentrantLock为重入锁，能够对共享资源能够重复加锁，是实现Lock接口的一个类。
- ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种方式
ReentrantLock案例
使用ReentrantLock来实现个简单线程安全的list，如下：
public class ReentrantLockList {
// 线程不安全的list
private ArrayList<String> array = new ArrayList<>();
//独占锁
private volatile ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//添加元素
public void add(String e){
lock.lock();
try {
array.add(e);
}finally {
lock.unlock();
}
}
//删除元素
public void remove(String e){
lock.lock();
try {
array.remove(e);
}finally {
lock.unlock();
}
}
//获取元素
public String get(int index){
lock.lock();
try {
return array.get(index);
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
Semaphore
Semaphore介绍
- Semaphore也叫信号量，可以用来控制资源并发访问的线程数量，通过协调各个线程，以保证合理的使用资源。
Semaphore案例
Java多线程有一到比较经典的面试题：ABC三个线程顺序输出，循环10遍。
public class ABCSemaphore {
private static Semaphore A = new Semaphore(1);
private static Semaphore B = new Semaphore(1);
private static Semaphore C = new Semaphore(1);
static class ThreadA extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
A.acquire();
System.out.print("A");
B.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
static class ThreadB extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
B.acquire();
System.out.print("B");
C.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
static class ThreadC extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
C.acquire();
System.out.print("C");
A.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 开始只有A可以获取, BC都不可以获取, 保证了A最先执行
B.acquire();
C.acquire();
new ThreadA().start();
new ThreadB().start();
new ThreadC().start();
}
参考
- 《Java并发编程之美》
- 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS
腾讯云开发者
