Java并发之AQS原理
1. 概述
全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架。
特点：
-
用 state 属性来表示资源的状态（分独占模式和共享模式），子类需要定义如何维护这个状态，控制如何获取锁和释放锁。
- getState - 获取 state 状态。
- setState - 设置 state 状态。
- compareAndSetState - cas 机制设置 state 状态。
- 独占模式是只有一个线程能够访问资源，而共享模式可以允许多个线程访问资源。
-
提供了基于 FIFO 的等待队列，类似于 Monitor 的 EntryList。
-
条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于 Monitor 的 WaitSet。
子类主要实现这样一些方法（默认抛出 UnsupportedOperationException）
- tryAcquire
- tryRelease
- tryAcquireShared
- tryReleaseShared
- isHeldExclusively
获取锁：
// 如果获取锁失败
if (!tryAcquire(arg)) {
// 入队, 可以选择阻塞当前线程 park unpark
}
释放锁：
// 如果释放锁成功
if (tryRelease(arg)) {
// 让阻塞线程恢复运行
}
2. 实现不可重入锁
自定义同步器
final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
if (acquires == 1) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int acquires) {
if (acquires == 1) {
if (getState() == 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
return false;
}
protected Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
}
自定义锁
有了自定义同步器，很容易复用 AQS ，实现一个功能完备的自定义锁。
class MyLock implements Lock {
static MySync sync = new MySync();
@Override
// 尝试，不成功，进入等待队列
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
// 尝试，不成功，进入等待队列，可打断
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
// 尝试一次，不成功返回，不进入队列
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
// 尝试，不成功，进入等待队列，有时限
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
// 释放锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
// 生成条件变量
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
测试：
public static void main(String[] args) {
MyLock lock = new MyLock();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking...");
sleep(1);
} finally {
log.debug("unlocking...");
lock.unlock();
}
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking...");
} finally {
log.debug("unlocking...");
lock.unlock();
}
}, "t2").start();
}
输出:
22:29:28.727 c.TestAqs [t1] - locking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t1] - unlocking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t2] - locking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t2] - unlocking...
不可重入测试
如果改为下面代码，会发现自己也会被挡住（只会打印一次 locking）
lock.lock();
log.debug("locking...");
lock.lock();
log.debug("locking...");
3. 心得
起源
早期程序员会自己通过一种同步器去实现另一种相近的同步器，例如用可重入锁去实现信号量，或反之。这显然不够优雅，于是在 JSR166（java 规范提案）中创建了 AQS，提供了这种通用的同步器机制。
目标
AQS 要实现的功能目标：
- 阻塞版本获取锁 acquire 和非阻塞的版本尝试获取锁 tryAcquire。
- 获取锁超时机制。
- 通过打断取消机制。
- 独占机制及共享机制。
- 条件不满足时的等待机制。
设计
AQS 的基本思想其实很简单。
获取锁的逻辑
while(state 状态不允许获取) {
if(队列中还没有此线程) {
入队并阻塞
}
}
//当前线程出队
释放锁的逻辑
if(state 状态允许了) {
恢复阻塞的线程(s)
}
要点
- 原子维护 state 状态。
- 阻塞及恢复线程。
- 维护队列。
1) state 设计
- state 使用 volatile 配合 cas 保证其修改时的原子性。
- state 使用了 32bit int 来维护同步状态，因为当时使用 long 在很多平台下测试的结果并不理想。
2) 阻塞恢复设计
-
早期的控制线程暂停和恢复的 api 有 suspend 和 resume，但它们是不可用的，因为如果先调用的 resume 那么 suspend 将感知不到。
-
解决方法是使用 park & unpark 来实现线程的暂停和恢复，先 unpark 再 park 也没问题。
-
park & unpark 是针对线程的，而不是针对同步器的，因此控制粒度更为精细。
-
park 线程还可以通过 interrupt 打断。
3) 队列设计
- 使用了 FIFO 先入先出队列，并不支持优先级队列。
- 设计时借鉴了 CLH 队列，它是一种单向无锁队列。
队列中有 head 和 tail 两个指针节点，都用 volatile 修饰配合 cas 使用，每个节点有 state 维护节点状态。
入队伪代码，只需要考虑 tail 赋值的原子性
do {
// 原来的 tail
Node prev = tail;
// 用 cas 在原来 tail 的基础上改为 node
} while(tail.compareAndSet(prev, node))
出队伪代码
// prev 是上一个节点
while((Node prev=node.prev).state != 唤醒状态) {
}
// 设置头节点
head = node;
CLH 好处：
- 无锁，使用自旋。
- 快速，无阻塞。
AQS 在一些方面改进了 CLH
for (; ; ) {
Node t = tail;
// 队列中还没有元素 tail 为 null
if (t == null) {
// 将 head 从 null -> dummy
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 将 node 的 prev 设置为原来的 tail
node.prev = t;
// 将 tail 从原来的 tail 设置为 node
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 原来 tail 的 next 设置为 node
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
主要用到 AQS 的并发工具类
