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AbstractQueuedSynchronizer和ReentrantLock源码解读

文章作者:网络频道 上传时间:2019-10-11

再谈AbstractQueuedSynchronizer:独占模式,

关于AbstractQueuedSynchronizer

JDK1.5之后引入了并发包java.util.concurrent,大大提高了Java程序的并发性能。关于java.util.concurrent包我总结如下:

  • AbstractQueuedSynchronizer是并发类诸如ReentrantLock、CountDownLatch、Semphore的核心
  • CAS算法是AbstractQueuedSynchronizer的核心

可以说AbstractQueuedSynchronizer是并发类的重中之重。其实之前在ReentrantLock实现原理深入探究一文中已经有结合ReentrantLock详细解读过AbstractQueuedSynchronizer,但限于当时水平原因,回看一年半前的此文,感觉对于AbstractQueuedSynchronizer的解读理解还不够深,因此这里更新一篇文章,再次解读AbstractQueuedSynchronizer的数据结构即相关源码实现,本文基于JDK1.7版本。

 

AbstactQueuedSynchronizer的基本数据结构

AbstractQueuedSynchronizer的基本数据结构为Node,关于Node,JDK作者写了详细的注释,这里我大致总结几点:

下面我用一张表格总结一下Node中持有哪些变量且每个变量的含义:

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关于SIGNAL、CANCELLED、CONDITION、PROPAGATE四个状态,JDK源码的注释中同样有了详细的解读,再用一张表格总结一下:

金沙js333娱乐场 2

 

AbstractQueuedSynchronizer供子类实现的方法

AbstractQueuedSynchzonizer是基于模板模式的实现,不过它的模板模式写法有点特别,整个类中没有任何一个abstract的抽象方法,取而代之的是,需要子类去实现的那些方法通过一个方法体抛出UnsupportedOperationException异常来让子类知道。

AbstractQueuedSynchronizer类中一共有五处方法供子类实现,用表格总结一下:

金沙js333娱乐场 3

这里的acquire不好翻译,所以就直接原词放上来了,因为acquire是一个动词,后面并没有带宾语,因此不知道具体acquire的是什么。按照我个人理解,acquire的意思应当是根据状态字段state去获取一个执行当前动作的资格

比如ReentrantLock的lock()方法最终会调用acquire方法,那么:

这种理解我认为应当是比较准确的。

 

独占模式acquire实现流程

有了上面的这些基础,我们看一下独占式acquire的实现流程,主要是在线程acquire失败后,是如何构建数据结构的,先看理论,之后再用一个例子画图说明。

看一下AbstractQuueuedSynchronizer的acquire方法实现流程,acquire方法是用于独占模式下进行操作的:

 1 public final void acquire(int arg) {
 2     if (!tryAcquire(arg) &&
 3         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
 4         selfInterrupt();
 5 }

tryAcquire方法前面说过了,是子类实现的一个方法,如果tryAcquire返回的是true(成功),即表明当前线程获得了一个执行当前动作的资格,自然也就不需要构建数据结构进行阻塞等待。

如果tryAcquire方法返回的是false,那么当前线程没有获得执行当前动作的资格,接着执行"acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))"这句代码,这句话很明显,它是由两步构成的:

分别看一下每一步做了什么。

 

addWaiter

先看第一步,addWaiter做了什么,从传入的参数Node.EXCLUSIVE我们知道这是独占模式的:

 1 private Node addWaiter(Node mode) {
 2     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 3     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
 4     Node prev = tail;
 5     if (prev != null) {
 6         node.prev = prev;
 7         if (compareAndSetTail(prev, node)) {
 8             prev.next = node;
 9             return node;
10         }
11     }
12     enq(node);
13     return node;
14 }

首先看第4行~第11行的代码,获得当前数据结构中的尾节点,如果有尾节点,那么先获取这个节点认为它是前驱节点prev,然后:

因此在数据结构中有节点的情况下,所有新增节点都是作为尾节点插入数据结构。从注释上来看,这段逻辑的存在的意义是以最短路径O(1)的效果完成快速入队,以最大化减小开销。

假如当前节点没有被设置为尾节点,那么执行enq方法:

 1 private Node enq(final Node node) {
 2     for (;;) {
 3         Node t = tail;
 4         if (t == null) { // Must initialize
 5             if (compareAndSetHead(new Node()))
 6                 tail = head;
 7         } else {
 8             node.prev = t;
 9             if (compareAndSetTail(t, node)) {
10                 t.next = node;
11                 return t;
12             }
13         }
14     }
15 }

这段代码的逻辑为:

看完了代码,用一张图表示一下AbstractQueuedSynchronizer的整体数据结构(比较简单,就不自己画了,网上随便找了一张图):

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acquireQueued

金沙js333娱乐场,队列构建好了,下一步就是在必要的时候从队列里面拿出一个Node了,这就是acquireQueued方法,顾名思义,从队列里面acquire。看下acquireQueued方法的实现:

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 2     boolean failed = true;
 3     try {
 4         boolean interrupted = false;
 5         for (;;) {
 6             final Node p = node.prevecessor();
 7             if (p == head && tryAcquire(arg)) {
 8                 setHead(node);
 9                 p.next = null; // help GC
10                 failed = false;
11                 return interrupted;
12             }
13             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
14                 parkAndCheckInterrupt())
15                 interrupted = true;
16         }
17     } finally {
18         if (failed)
19             cancelAcquire(node);
20     }
21 }

这段代码描述了几件事:

看一下第一步shouldParkAfterFailedAcquire代码做了什么:

 1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node prev, Node node) {
 2     int ws = prev.waitStatus;
 3     if (ws == Node.SIGNAL)
 4         /*
 5          * This node has already set status asking a release
 6          * to signal it, so it can safely park.
 7          */
 8         return true;
 9     if (ws > 0) {
10         /*
11          * prevecessor was cancelled. Skip over prevecessors and
12          * indicate retry.
13          */
14         do {
15             node.prev = prev = prev.prev;
16         } while (prev.waitStatus > 0);
17         prev.next = node;
18     } else {
19         /*
20          * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
21          * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
22          * retry to make sure it cannot acquire before parking.
23          */
24         compareAndSetWaitStatus(prev, ws, Node.SIGNAL);
25     }
26     return false;
27 }

这里每个节点判断它前驱节点的状态,如果:

如果判断判断应当park,那么parkAndCheckInterrupt方法:

 1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
 2     LockSupport.park(this);
 3     return Thread.interrupted();
 4 }

利用LockSupport的park方法让当前线程阻塞。

 

独占模式release流程

上面整理了独占模式的acquire流程,看到了等待的Node是如何构建成一个数据结构的,下面看一下释放的时候做了什么,release方法的实现为:

1 public final boolean release(int arg) {
2     if (tryRelease(arg)) {
3         Node h = head;
4         if (h != null && h.waitStatus != 0)
5             unparkSuccessor(h);
6         return true;
7     }
8     return false;
9 }

tryRelease同样是子类去实现的,表示当前动作我执行完了,要释放我执行当前动作的资格,讲这个资格让给其它线程,然后tryRelease释放成功,获取到head节点,如果head节点的waitStatus不为0的话,执行unparkSuccessor方法,顾名思义unparkSuccessor意为unpark头结点的继承者,方法实现为:

 1 private void unparkSuccessor(Node node) {
 2         /*
 3          * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
 4          * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
 5          * fails or if status is changed by waiting thread.
 6          */
 7         int ws = node.waitStatus;
 8         if (ws < 0)
 9             compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
10 
11         /*
12          * Thread to unpark is held in successor, which is normally
13          * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
14          * traverse backwards from tail to find the actual
15          * non-cancelled successor.
16          */
17         Node s = node.next;
18         if (s == null || s.waitStatus > 0) {
19             s = null;
20             for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
21                 if (t.waitStatus <= 0)
22                     s = t;
23         }
24         if (s != null)
25             LockSupport.unpark(s.thread);
26 }

这段代码比较好理解,整理一下流程:

最后,如果拿到了一个不等于null的节点s,就利用LockSupport的unpark方法让它取消阻塞。

 

实战举例:数据结构构建

上面的例子讲解地过于理论,下面利用ReentrantLock举个例子,但是这里不讲ReentrantLock实现原理,只是利用ReentrantLock研究AbstractQueuedSynchronizer的acquire和release。示例代码为:

 1 /**
 2  * @author 五月的仓颉http://www.cnblogs.com/xrq730/p/7056614.html
 3  */
 4 public class AbstractQueuedSynchronizerTest {
 5 
 6     @Test
 7     public void testAbstractQueuedSynchronizer() {
 8         Lock lock = new ReentrantLock();
 9         
10         Runnable runnable0 = new ReentrantLockThread(lock);
11         Thread thread0 = new Thread(runnable0);
12         thread0.setName("线程0");
13         
14         Runnable runnable1 = new ReentrantLockThread(lock);
15         Thread thread1 = new Thread(runnable1);
16         thread1.setName("线程1");
17         
18         Runnable runnable2 = new ReentrantLockThread(lock);
19         Thread thread2 = new Thread(runnable2);
20         thread2.setName("线程2");
21         
22         thread0.start();
23         thread1.start();
24         thread2.start();
25         
26         for (;;);
27     }
28     
29     private class ReentrantLockThread implements Runnable {
30         
31         private Lock lock;
32         
33         public ReentrantLockThread(Lock lock) {
34             this.lock = lock;
35         }
36         
37         @Override
38         public void run() {
39             try {
40                 lock.lock();
41                 for (;;);
42             } finally {
43                 lock.unlock();
44             }
45         }
46         
47     }
48     
49 }

全部是死循环,相当于第一条线程(线程0)acquire成功之后,后两条线程(线程1、线程2)阻塞,下面的代码就不考虑后两条线程谁先谁后的问题,就一条线程(线程1)流程执行到底、另一条线程(线程2)流程执行到底这么分析了。

这里再把addWaiter和enq两个方法源码贴一下:

 1 private Node addWaiter(Node mode) {
 2     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 3     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
 4     Node prev = tail;
 5     if (prev != null) {
 6         node.prev = prev;
 7         if (compareAndSetTail(prev, node)) {
 8             prev.next = node;
 9             return node;
10         }
11     }
12     enq(node);
13     return node;
14 }

 1 private Node enq(final Node node) {
 2     for (;;) {
 3         Node t = tail;
 4         if (t == null) { // Must initialize
 5             if (compareAndSetHead(new Node()))
 6                 tail = head;
 7         } else {
 8             node.prev = t;
 9             if (compareAndSetTail(t, node)) {
10                 t.next = node;
11                 return t;
12             }
13         }
14     }
15 }

首先第一个acquire失败的线程1,由于此时整个数据结构中么没有任何数据,因此addWaiter方法第4行中拿到的prev=tail为空,执行enq方法,首先第3行获取tail,第4行判断到tail是null,因此头结点new一个Node出来通过CAS算法设置为数据结构的head,tail同样也是这个Node,此时数据结构为:

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为了方便描述,prev和next,我给每个Node随便加了一个地址。接着继续enq,因为enq内是一个死循环,所以继续第3行获取tail,new了一个空的Node之后tail就有了,执行else判断,通过第8行~第10行代码将当前线程对应的Node追加到数据结构尾部,那么当前构建的数据结构为:

金沙js333娱乐场 6

这样,线程1对应的Node被加入数据结构,成为数据结构的tail,而数据结构的head是一个什么都没有的空Node。

接着线程2也acquire失败了,线程2既然acquire失败,那也要准备被加入数据结构中,继续先执行addWaiter方法,由于此时已经有了tail,因此不需要执行enq方法,可以直接将当前Node添加到数据结构尾部,那么当前构建的数据结构为:

金沙js333娱乐场 7

至此,两个阻塞的线程构建的三个Node已经全部归位。

 

实战举例:线程阻塞

上述流程只是描述了构建数据结构的过程,并没有描述线程1、线程2阻塞的流程,因此接着继续用实际例子看一下线程1、线程2如何阻塞。贴一下acquireQueued、shouldParkAfterFailedAcquire两个方法源码:

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 2     boolean failed = true;
 3     try {
 4         boolean interrupted = false;
 5         for (;;) {
 6             final Node p = node.prevecessor();
 7             if (p == head && tryAcquire(arg)) {
 8                 setHead(node);
 9                 p.next = null; // help GC
10                 failed = false;
11                 return interrupted;
12             }
13             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
14                 parkAndCheckInterrupt())
15                 interrupted = true;
16         }
17     } finally {
18         if (failed)
19             cancelAcquire(node);
20     }
21 }

 1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node prev, Node node) {
 2     int ws = prev.waitStatus;
 3     if (ws == Node.SIGNAL)
 4         /*
 5          * This node has already set status asking a release
 6          * to signal it, so it can safely park.
 7          */
 8         return true;
 9     if (ws > 0) {
10         /*
11          * prevecessor was cancelled. Skip over prevecessors and
12          * indicate retry.
13          */
14         do {
15             node.prev = prev = prev.prev;
16         } while (prev.waitStatus > 0);
17         prev.next = node;
18     } else {
19         /*
20          * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
21          * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
22          * retry to make sure it cannot acquire before parking.
23          */
24         compareAndSetWaitStatus(prev, ws, Node.SIGNAL);
25     }
26     return false;
27 }

首先是线程1,它的前驱节点是head节点,在它tryAcquire成功的情况下,执行第8行~第11行的代码。做几件事情:

因此,如果线程1执行tryAcquire成功,那么数据结构将变为:

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从上述流程可以总结到:只有前驱节点为head的节点会尝试tryAcquire,其余都不会,结合后面的release选继承者的方式,保证了先acquire失败的线程会优先从阻塞状态中解除去重新acquire。这是一种公平的acquire方式,因为它遵循"先到先得"原则,但是我们可以动动手脚让这种公平变为非公平,比如ReentrantLock默认的非公平模式,这个留在后面说。

那如果线程1执行tryAcquire失败,那么要执行shouldParkAfterFailedAcquire方法了,shouldParkAfterFailedAcquire拿线程1的前驱节点也就是head节点的waitStatus做了一个判断,因为waitStatus=0,因此执行第18行~第20行的逻辑,将head的waitStatus设置为SIGNAL即-1,然后方法返回false,数据结构变为:

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看到这里就一个变化:head的waitStatus从0变成了-1。既然shouldParkAfterFailedAcquire返回false,acquireQueued的第13行~第14行的判断自然不通过,继续走for(;;)循环,如果tryAcquire失败显然又来到了shouldParkAfterFailedAcquire方法,此时线程1对应的Node的前驱节点head节点的waitStatus已经变为了SIGNAL即-1,因此执行第4行~第8行的代码,直接返回true出去。

shouldParkAfterFailedAcquire返回true,parkAndCheckInterrupt直接调用LockSupport的park方法:

 1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
 2     LockSupport.park(this);
 3     return Thread.interrupted();
 4 }

至此线程1阻塞,线程2阻塞的流程与线程1阻塞的流程相同,可以自己分析一下。

另外再提一个问题,不知道大家会不会想:

我认为这是AbstractQueuedSynchronizer开发人员做了类似自旋的操作。因为很多时候获取acquire进行操作的时间很短,阻塞会引起上下文的切换,而很短时间就从阻塞状态解除,这样相对会比较耗费性能。

因此我们看到线程1自构建完毕Node加入数据结构到阻塞,一共尝试了两次tryAcquire,如果其中有一次成功,那么线程1就没有必要被阻塞,提升了性能。

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前言

最近在学习java多线程的相关知识,把相关的源码大概过了一下,看完了虽然好像觉得没什么卵用,但是面试问得多,加上最近打算开始写写博客,所以还是打算记录一下,同时也总结一下学过的这些东西。能力不足水平有限,以下内容不一定完全正确。

概述

AbstractQueuedSynchronizer是java.util.concurrent包下的大部分类实现的基础,如ReentrantLock,ReadWriteLock,CountDownLatch,Semaphore等都是基于这个类实现的。下面主要讲解一下ReentrantLock和AbstractQueuedSynchronizer的源码。

在这之前首先还需要了解一下CAS(CompareAndSwap),这是一个底层实现的原子操作,主要有三个值,内存值A、预期值B和修改值C,在执行CAS操作的时候,会先判断内存值A和预期值B是否相等,如果相等则修改内存值A为修改值C,否则什么都不做。

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