AbstractQueuedSynchronizer 源码分析(共享锁)
为什么80%的码农都做不了架构师?>>>
源码看之前的问题
- race condition如何避免?
- 工作流程是怎么样的?
- 使用什么方式实现的?
使用到的其他类说明和资料
LockSupport 简要说明
在AbstractQueuedSynchronizer中使用LockSupport类来实现线程的挂起和唤醒,对应方法分别我park和unpark,内部实现原理是代理给了unsafe包的park和unpark
为何使用park和unpark
Thread中提供了suspend和resume两个方法,不过这两个方法有很重大的缺陷,就是在suspend之前调用了resume,resume操作时没有任何作用的,线程会一直挂起再也得不到运行,目前这两个方法已经不建议使用。
park会阻塞线程直到unpark调用,但unpark操作不依赖于park,在调用park之前调用了unpark对线程一样有效(park之前检查unpark状态应该是),而且多次调用unpark只对后面的一次park起作用。由于前面遗留的unpark操作影响,调用park后可能会立即返回。不过下一次park又会继续阻塞等待unpark。
其次park还支持超时,获取锁时的超时策略就依赖于它。
Unsafe类相关说明
在多线程环境下对一个值进行操作时需要保证原子性,lock类使用了Unsafe类中的compareAndSet等CAS方法来保证操作的原子性,在不成功的情况下会自旋重试 Unsafe类是sun.misc包下的类,由于其安全策略,应用程序中写的类是无法使用这个类的,而且其中实现大部分都是native的,了解一下API功能,不影响阅读jdk源码就可以了
Doug Lea大神的paper
地址:http://gee.cs.oswego.edu/dl/papers/aqs.pdf 详细讲述了aqs的设计过程,上面的park与unpark就翻译自里面的一段。
AbstractQueuedSynchronizer 源码解析
ps:condition相关的先不涉及,单纯的看lock相关源码
ps2:单独看AQS很抽象,我们结合具体类来了解相关功能
ps3:要用多线程的思维去看,单线程思维看这个根本就看不明白
重要的属性字段
- state 标识当前锁的状态,源码实现中一般标识锁数量,像在CountDownLatch中state标识latch的count,每当有线程countDown时,state就减一,ReentrantLock标识锁的重入次数,进入+1,释放-1
- head,tail 队列的头尾,下面会说明下队列
内部类Node
AbstractQueuedSynchronizer维护了一个FIFO的队列,每个队列节点就是一个Node,Node中维护了前后节点(pre,next)的信息,和每个节点的waitStatus以及节点的模式(共享还是独占),在获取锁失败后就会加入到队列末尾,拥有锁的线程释放锁后会通知队列中的第一个节点。
waitStatus有几个状态和约定
值 | 说明 |
---|---|
>0 | 无效状态,说明node不再竞争锁 |
<0 | 有效状态,node正在竞争锁 |
1 | CANCELLED,被取消 |
0 | 初始化状态,表示SYNC |
-1 | SIGNAL 表示后继节点需要被唤醒 |
-2 | CONDITION 表示线程在等待condition |
-3 | PROPAGATE 表示下一次acquireShared应该被无条件传播 |
mode:
值 | 说明 |
---|---|
SHARED | 共享模式 |
EXCLUSIVE | 独占模式 |
CountDownLatch 对AQS的使用
我们从最简单的CountDownLatch来看一下AQS的共享模式的使用
demo以及CountDownLatch相关API
jdk中的demo
class Driver2 { // ...void main() throws InterruptedException {CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N);Executor e = ...for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threadse.execute(new WorkerRunnable(doneSignal, i));doneSignal.await(); // wait for all to finish}
}class WorkerRunnable implements Runnable {private final CountDownLatch doneSignal;private final int i;WorkerRunnable(CountDownLatch doneSignal, int i) {this.doneSignal = doneSignal;this.i = i;}public void run() {try {doWork(i);doneSignal.countDown();} catch (InterruptedException ex) {} // return;}void doWork() { ... }
}
main函数生成了N个任务放到线程池中异步执行,每个任务执行完毕后会countdown一下表明任务完成,主线程一直await到所有的任务执行完毕才会退出
内部类Sync继承了AQS,重载了share相关的两个方法
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;Sync(int count) {setState(count);}int getCount() {return getState();}/*** 返回值>=0 表示获取锁成功,* >0 表示需要向后传播 =0不向后传播* <0 表示获取锁失败*/protected int tryAcquireShared(int acquires) {return (getState() == 0) ? 1 : -1;}protected boolean tryReleaseShared(int releases) {// Decrement count; signal when transition to zerofor (;;) {int c = getState();if (c == 0)return false;int nextc = c-1;if (compareAndSetState(c, nextc))return nextc == 0;}}
}
- tryAcquireShared 当前状态等于0,获取成功,即所有线程准备完毕
- tryReleaseShared 释放锁时将state减一,里面用到了CAS来保证操作的原子性
CountDownLatch相关方法:
public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public void countDown() {sync.releaseShared(1);
}
public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
全部都代理给了Sync类
countDown使用的releaseShared方法
countDown使用的releaseShared方法比较简单,先来看一下
public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) { //1doReleaseShared();return true;}return false;
}
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 (;;) {Node h = head;if (h != null && h != tail) {int ws = h.waitStatus;if (ws == Node.SIGNAL) {if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) //2continue; // loop to recheck casesunparkSuccessor(h);}else if (ws == 0 &&!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) //3continue; // loop on failed CAS}if (h == head) // loop if head changed //4break;}
}
- 尝试释放共享锁,上面介绍了,就是state-1,成功后执行后续操作
- 获取队列head,当waitStatus为SIGNAL,就将其设置为0,设置成功后唤醒后继节点,不成功继续自旋尝试
- head状态为0,将自身状态设置为propagate,这里ws为0,在后面可以看到其实是因为没有后续节点
- 如果在此过程中head改变了,就再次循环检查。后面我们会看到在线程获取到了锁之后,也还会调用这个方法来通知后继节点,这样前驱通知后继,扩散到了整个队列中,使所有节点都接收到了唤醒通知
await使用的acquireSharedInterruptibly方法
再来看一下await中的acquireSharedInterruptibly实现
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();if (tryAcquireShared(arg) < 0) // 1doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throws InterruptedException {final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 2boolean failed = true;try {for (;;) {final Node p = node.predecessor(); // 3if (p == head) {int r = tryAcquireShared(arg);if (r >= 0) {setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GCfailed = false;return;}}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 4parkAndCheckInterrupt()) //5throw new InterruptedException();}} finally {if (failed) // 6cancelAcquire(node);}
}
- 尝试获取锁,获取成功直接返回,获取不成功进入doAcquireSharedInterruptibly
- 将当前线程封装成node加入到队列中
- 获得node的前驱节点,如果前驱节点为head节点,那么再次尝试获取锁,获取成功后将node设置为head节点,并向后传播
- 在获取失败后检查状态是否需要挂起,如果是,就挂起并在唤醒后检查中断状态(唤醒后线程是从挂起的位置继续往下执行)
- 失败将当前node置为取消,失败从代码看只有一种情况,就是被中断后抛出异常
分步骤说明,不按上述顺序,见标号: 2. 加入到队列中addWaiter方法
private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// Try the fast path of enq; backup to full enq on failureNode pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}enq(node);return node;
}
private Node enq(final Node node) {for (;;) {Node t = tail;if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
}
先自己尝试一下加入队列,如果失败就进入enq方法入队,可以看到,队列初始化时放置了一个空节点作为头部,线程封装的node加入到了其后
- 然后我们先看一下shouldParkAfterFailedAcquire,因为这个节点会改变waitStatus,对后面的propagate会有影响
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {int ws = pred.waitStatus;if (ws == Node.SIGNAL) //1/** This node has already set status asking a release* to signal it, so it can safely park.*/return true;if (ws > 0) { //2/** Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and* indicate retry.*/do { node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node;} else { //3/** waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we* need a signal, but don't park yet. Caller will need to* retry to make sure it cannot acquire before parking.*/compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;
}
分三步
- 前驱节点waitStatus为SIGNAL直接返回true,表示可以挂起
- waitStatus大于0表示前驱节点已经被取消或其他无效状态,将其清理出队列,然后返回false,doAcquireSharedInterruptibly会自旋一次
- 这个else里waitStatus要么是初始化时的0,要么就是被其他线程设置成了propagate,将waitStatus设置为SIGNAL,然后返回false,doAcquireSharedInterruptibly会自旋一次
可以看到每当有一个新线程进入等待队列时,都会把前一个节点的waitStatus变为SIGNAL,表示后继节点需要被通知唤醒,新入队的节点waitStatus为SYNC
head
head(-1)->node1(0)
head(-1)->node1(-1)->node2(0)
- 将获取到锁的节点设置为head,并向后传播setHeadAndPropagate
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {Node h = head; // Record old head for check belowsetHead(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;if (s == null || s.isShared())doReleaseShared();}
}
//头结点对应的线程已经获得了锁,
//相当于于出队,这个节点已经不再竞争锁了
//再竞争锁会再加入到队列中
private void setHead(Node node) {head = node;node.thread = null;node.prev = null;
}
propagate(tryAcquireShared返回值) > 0 表示需要向后传播
h == null || h.waitStatus < 0 || (h = head) == null || h.waitStatus < 0 或头结点为空或状态为有效
通知后继节点doReleaseShared上面已经说过了。
我们分几种情况讨论一下
1 await直接获取到锁,也就是所有任务已经完成,那么直接返回,继续执行
2 任务没有完成,await获取锁失败,进入FIFO队列等待
2.1 任务完成后,调用doReleaseShared通知后继节点,将队列中的第一个node设置为head,并再次调用doReleaseShared
2.2 一直到队列末尾,所有节点获取到锁,通知完毕,所有线程获取到共享锁,继续执行
转载于:https://my.oschina.net/liufq/blog/1058083
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