深入理解AQS--jdk層面管程實現【管程詳解的補充】

来源:https://www.cnblogs.com/chafry/archive/2022/10/06/16756929.html
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java.util.concurrent包中的大多數同步器實現都是圍繞著共同的基礎行為,比如等待隊列、條件隊列、獨占獲取、共用獲取等,而這些行為的抽象就是基於AbstractQueuedSynchronizer(簡稱AQS)實現的,AQS是一個抽象同步框架,可以用來實現一個依賴狀態的同步器 ...


什麼是AQS

  1.java.util.concurrent包中的大多數同步器實現都是圍繞著共同的基礎行為,比如等待隊列、條件隊列、獨占獲取、共用獲取等,而這些行為的抽象就是基於AbstractQueuedSynchronizer(簡稱AQS)實現的,AQS是一個抽象同步框架,可以用來實現一個依賴狀態的同步器

  2.JDK中提供的大多數的同步器如Lock, Latch, Barrier等,都是基於AQS框架來實現的

    【1】一般是通過一個內部類Sync繼承 AQS

    【2】將同步器所有調用都映射到Sync對應的方法

 

AQS具備的特性:

  1.阻塞等待隊列  , 2.共用/獨占  , 3.公平/非公平  , 4.可重入  , 5.允許中斷 

 

AQS定義兩種資源共用方式

  1.Exclusive-獨占,只有一個線程能執行,如ReentrantLock(詳情可查看 深入理解ReentrantLock類鎖

  2.Share-共用,多個線程可以同時執行,如Semaphore/CountDownLatch

 

AQS定義兩種隊列

  1.同步等待隊列【主要用於維護獲取鎖失敗時入隊的線程

    【1】AQS當中的同步等待隊列也稱CLH隊列,CLH隊列是Craig、Landin、Hagersten三人發明的一種基於雙向鏈表數據結構的隊列,是FIFO先進先出線程等待隊列,Java中的CLH隊列是原CLH隊列的一個變種,線程由原自旋機制改為阻塞機制。   

    【2】AQS 依賴CLH同步隊列來完成同步狀態的管理:

      1)當前線程如果獲取同步狀態失敗時,AQS則會將當前線程已經等待狀態等信息構造成一個節點(Node)並將其加入到CLH同步隊列,同時會阻塞當前線程

      2)當同步狀態釋放時,會把首節點喚醒(公平鎖),使其再次嘗試獲取同步狀態。

      3)通過signal或signalAll將條件隊列中的節點轉移到同步隊列。(由條件隊列轉化為同步隊列)

    【3】圖示:

           

  2.條件等待隊列【調用await()的時候會釋放鎖,然後線程會加入到條件隊列,調用signal()喚醒的時候會把條件隊列中的線程節點移動到同步隊列中,等待再次獲得鎖

    【1】AQS中條件隊列是使用單向列表保存的,用nextWaiter來連接:

      1)調用await方法阻塞線程;

      2)當前線程存在於同步隊列的頭結點,調用await方法進行阻塞(從同步隊列轉化到條件隊列)

 

  3.AQS 定義了5個隊列中節點狀態:

    1)值為0,初始化狀態,表示當前節點在sync隊列中,等待著獲取鎖。

    2)CANCELLED,值為1,表示當前的線程被取消;

    3)SIGNAL,值為-1,表示當前節點的後繼節點包含的線程需要運行,也就是unpark;

    4)CONDITION,值為-2,表示當前節點在等待condition,也就是在condition隊列中;

    5)PROPAGATE,值為-3,表示當前場景下後續的acquireShared能夠得以執行;

 

源碼詳解(將源碼拆分為三塊,抽象同步器AbstractQueuedSynchronizer類,節點Node類,條件對象ConditionObject類

  AbstractQueuedSynchronizer類解析

    1.屬性值解析

//用鏈表來表示隊列
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

private volatile int state;  //可以表示鎖的加鎖狀態【獨占鎖只為1,共用鎖可以大於1】,又可以表示鎖的重入次數,0為沒有加鎖

    2.方法解析

//定義了主體的大體邏輯,如入隊,如嘗試加鎖
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

//模板方法的處理,如果子類沒有實現,則子類中調用的話會報錯
//提供給子類去實現的公平與非公平的邏輯
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
//釋放鎖的邏輯
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

 

  Node類詳解

    1.代碼展示

static final class Node {

    static final Node SHARED = new Node();  // 共用模式標記
    static final Node EXCLUSIVE = null;     // 獨占模式標記

    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;

    //值為0,初始化狀態,表示當前節點在sync隊列中,等待著獲取鎖。
    //CANCELLED,值為1,表示當前的線程被取消;
    //SIGNAL,值為-1,表示當前節點的後繼節點包含的線程需要運行,也就是unpark;
    //CONDITION,值為-2,表示當前節點在等待condition,也就是在condition隊列中;
    //PROPAGATE,值為-3,表示當前場景下後續的acquireShared能夠得以執行;
    volatile int waitStatus;

    
    volatile Node prev;//前驅結點
    volatile Node next;//後繼結點
    volatile Thread thread; //與節點綁定的線程
    Node nextWaiter; // 存儲condition隊列中的後繼節點

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

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

    Node() {}

    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;
    }
}

 

  Condition介面詳解

    1.代碼展示

//Condition用來替代synchronized鎖的監視器的功能,而且更加靈活
//一個Condition實例需要與一個lock進行綁定
public interface Condition {
    //調用此方法的線程將加入等待隊列,阻塞直到被通知或者線程中斷
    void await() throws InterruptedException;

    //調用此方法的線程將加入等待隊列,阻塞直到被通知(線程中斷忽略)
    void awaitUninterruptibly();

    //調用此方法的線程將加入等待隊列,阻塞直到被通知或者線程中斷或等待超時
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

    //調用此方法的線程將加入等待隊列,阻塞直到被通知或者線程中斷或等待超時
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    //調用此方法的線程將加入等待隊列,阻塞直到被通知或者線程中斷或超出指定日期
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

    //喚醒一個等待中的線程
    void signal();

    //喚醒所以等待中的線程
    void signalAll();
}

    2.發現說明

      【1】在Condition中,用await()替換wait(),用signal()替換notify(),用signalAll()替換notifyAll(),傳統線程的通信方式,Condition都可以實現,這裡註意,Condition是被綁定到Lock上的,要創建一個Lock的Condition必須用newCondition()方法。Condition的強大之處在於,對於一個鎖,我們可以為多個線程間建立不同的Condition。如果採用Object類中的wait(), notify(), notifyAll()實現的話,當寫入數據之後需要喚醒讀線程時,不可能通過notify()或notifyAll()明確的指定喚醒讀線程,而只能通過notifyAll喚醒所有線程,但是notifyAll無法區分喚醒的線程是讀線程,還是寫線程。所以,通過Condition能夠更加精細的控制多線程的休眠與喚醒。

      【2】但,condition的使用必須依賴於lock對象,通過lock對象的newCondition()方法初始化一個condition對象。

 

  ConditionObject類詳解【Condition介面的實現類】

    1.屬性值解析

//由頭尾兩個節點指針形成的鏈表來達到隊列的效果
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;

    2.方法解析

      【1】核心await方法

public final void await() throws InterruptedException {
    //如果線程中斷,直接拋出異常  
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();

    //進入等待隊列中
    Node node = addConditionWaiter();
    //釋放當前線程持有的鎖,並獲取當前同步器狀態
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //如果不在同步隊列中,那麼直接阻塞當前線程;直到被喚醒時,加入到同步隊列中
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    //此時已經被喚醒,那麼嘗試獲取鎖
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    //如果節點中斷取消,那麼清除節點
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

//addConditionWaiter將一個節點添加到condition隊列中。在入隊時,判斷當前尾節點是不是CONDITION。如果不是則判斷當前尾節點已經被取消,將當前節點出隊。那麼也就是說在隊列中的節點狀態,要麼是CONDITION,要麼是CANCELLED
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // If lastWaiter is cancelled, clean out.
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

//方法的作用是移除取消的節點。方法本身只有在持有鎖的時候會被調用。方法會遍歷當前condition隊列,將所有非Condition狀態的節點移除。
private void unlinkCancelledWaiters() {
    Node t = firstWaiter;
    Node trail = null;
    while (t != null) {
        Node next = t.nextWaiter;
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            t.nextWaiter = null;
            if (trail == null)
                firstWaiter = next;
            else
                trail.nextWaiter = next;
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        }
        else
            trail = t;
        t = next;
    }
}

 

      【2】核心signal方法與signalAll方法

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

public final void signalAll() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignalAll(first);
}

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    //如果不能更改waitStatus,則表示該節點已被取消
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

 


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