深入理解Java并发类——AQS

目录

• 什么是AQS
• 为什么需要AQS
• AQS的核心思想
• AQS的内部数据和方法
• 如何利用AQS实现同步结构
• ReentrantLock对AQS的利用
  • 尝试获取锁
  • 获取锁失败，排队竞争
• 参考

什么是AQS

AbstractQueuedSynchronizer，是Java并发包中locks目录下的一个抽象类，它是实现各种同步结构和部分其他组成单元的基础，如线程池中的Worker。

为什么需要AQS

Doug Lea曾经介绍过AQS的设计初衷。从原理上，一种同步结构往往是可以利用其他的结构实现的。但是，对某种同步结构的倾向，会导致复杂的实现逻辑，所以他选择将基础的同步相关操作抽象在AQS中，利用AQS为我们构建同步结构提供范本。

抽象类的特点看这里

AQS的核心思想

如果被请求的共享资源空闲，则将请求资源的线程设为有效的工作线程，并将资源锁定，资源使用结束时释放锁定。如果资源被锁定，则把请求未果的线程加入FIFO队列，当资源可用时唤醒队头的线程。

这个过程中，通过state判断资源是否锁定，并通过对state进行CAS操作，来蟹盖资源的锁定状态。

AQS的内部数据和方法

1. 一个volatile的整数成员表征状态，同时提供了setState、getState、CAS方法。

   private volatile int state;
   
   //当state的值与期望值相同时，把state设为update
   protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }
   

2. 一个先入先出（FIFO）的等待线程队列，以实现多线程间竞争和等待，这是AQS机制的核心之一。

3. 各种基于CAS的基础操作方法，以及各种期望具体同步结构去实现的acquire/release方法。

如何利用AQS实现同步结构

利用AQS实现一个同步结构，至少要实现两个基本类型的方法，分别是:

1. acquire操作，获取资源的独占权.
2. release操作，释放对某个资源的独占。

AQS使用了模板设计模式，自定义同步容器要重写这些模板方法。

//独占方式
protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
//共享方式
protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
//该线程是否正在独占资源，只有用到condition时才重写它
protected boolean isHeldExclusively() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

ReentrantLock对AQS的利用

以ReentrantLock为例，它内部通过继承AQS抽象类实现了Sync子类，以AQS的state来表示和操作锁的状态。

private final Sync sync;
absract static class Sync extends AbsractQueuedSynchronizer {
    abstract void lock();
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {...}
    protected final boolean tryRelease(int releases) {...}
    ...
}

下面是ReentrantLock对应acquire和release操作，如果是CountDownLatch则可以看作是await()/countDown()，具体实现也有区别。

初始化时staate=0，表示资源未锁定，线程A调用lock()后，state+1，此后其他线程再lock()就会失败，直到A进行unlock(），state-1。

另外，A可以重复获取此锁，每次获取state累加，获取多少次就释放多少次，这就是可重入。

public void lock() {
 sync.acquire(1);
}
public void unlock() {
 sync.release(1);
}

尝试获取锁

下面是线程试图获取锁的过程，acquire()的实现逻辑是在AQS的内部，调用了tryAcquire和acquireQueued。

tryAcquire是按照特定场景需要开发者去实现的部分，而线程间竞争则是AQS通过Waiter队列与acquireQueued提供的。

public final void acquire(int arg) {
 if (!tryAcquire(arg) &&
 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
 selfInterrupt();
}

在ReentrantLock中，tryAcquire的逻辑实现在NonfairSync和FairSync中，分别提供了进一步的非公平或公平性方法，而AQS内部tryAcquire仅仅是个接近未实现的方法（直接抛异常）。

ReentrantLock默认是非公平的，下面是公平性在ReentrantLock构建时如何设定的。

public ReentrantLock() {
 sync = new NonfairSync(); // 默认是非公平的
 }
 public ReentrantLock(boolean fair) {
 sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
 }

以非公平的tryAcquire为例，其内部实现了如何配合状态与CAS获取锁。对比公平版本的tryAcquire，非公平版本在锁无人占有时，直接抢占，并不检查是否有其他等待者，这里体现了非公平语义。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
     final Thread current = Thread.currentThread();
     int c = getState();
     if (c == 0) {//锁无人占有，直接抢占
         if (compareAndSetState(0, acquires)) {
             setExclusiveOwnerThread(current);
             return true;
         }
     } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //虽然状态不是0，但当前线程是锁持有者,则进行重入
         int nextc = c + acquires;
         if (nextc < 0) // overflow
             throw new Error("Maximum lock count exceeded");
         setState(nextc);
         return true;
     }
     return false;
}

获取锁失败，排队竞争

接下来分析acquireQueued，如果前面的tryAcquire失败，代表着锁争抢失败，进入排队竞争阶段。

当前线程会被包装成为一个排他模式的节点（EXCLUSIVE），通过addWaiter方法添加到FIFO队列中。

如果当前节点的前面是头节点，则试图获取锁，一切顺利则成为新的头节点；否则，有必要则等待。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 boolean interrupted = false;
 try {
 for (;;) {// 循环
 final Node p = node.predecessor();// 获取前一个节点
 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 如果前一个节点是头结点，表示当前节点合适去tryAcquire
 setHead(node); // acquire成功，则设置新的头节点
 p.next = null; // 将前面节点对当前节点的引用清空
 return interrupted;
 }
 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)) // 检查是否失败后需要park
 interrupted |= parkAndCheckInterrupt();
 }
 } catch (Throwable t) {
 cancelAcquire(node);// 出现异常，取消
 if (interrupted)
 selfInterrupt();
 throw t;
 }
}

总结。以上是对ReentrantLock的acquire方法的分析，release方法与之相似。

参考

《Java并发编程实战》

《Java核心技术36讲》杨晓峰