Java 同步框架 AQS 深入分析

作者: albon | 来源:发表于2017-09-13 22:51 被阅读194次

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概述

在多线程程序中，往往存在对共享资源的竞争访问，为了对共享资源进行保护，需要使用一些同步工具，比如 synchronized、ReentrantLock、Semaphore、ReentrantReadWriteLock等，后三种都是在同步框架 AQS（即 AbstractQueuedSynchronizer）的基础上构建的。

下面这段话来自 AQS 的代码文档，描述了其设计意图：提供一个框架用于实现依赖先进先出 FIFO 等待队列的阻塞锁和相关同步器。

Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues.

下面我们重点分析一下同步框架 AQS 的实现原理和用法。

实现

一个同步器有两个基本功能：获取同步器、释放同步器。AQS 提供了多种锁模式：

独占、共享
可中断、不可中断
带超时时间的

设计模式

AQS 采用了标准的模版方法设计模式，对外提供的是以下的方法：

    // 独占模式
    public final void acquire(int arg);
    public final boolean release(int arg);
    // 独占可中断
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException;
    // 独占带超时时间的
    public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);

    // 共享模式
    public final void acquireShared(int arg);
    public final boolean releaseShared(int arg);
    // 共享可中断
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException;
    // 共享带超时时间
    public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException;

这些方法上都带了 final 关键字，也就是说不允许重写，那么哪些方法可以重写呢？

//独占模式
protected boolean tryAcquire(int arg);
protected boolean tryRelease(int arg);

//共享模式
protected int tryAcquireShared(int arg);
protected boolean tryReleaseShared(int arg);

//是否是独占模式
protected boolean isHeldExclusively()；

这些模版方法在代码中起什么作用呢？请看他们的调用方，在 acquire 方法中，当 tryAcquire 返回 true 则表示已经获得了锁，否则先 addWaiter 进入等待队列，再 acquireQueued 等候获取锁。acquireInterruptibly 也是类似的，区别只是对中断的处理不同。

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

以 acquire 为例，真正的排队阻塞等待锁是在 addWaiter 和 acquireQueued 中，那么 tryAcquire 方法需要做什么事儿呢？我们先看一下 ReentrantLock 中公平锁 FairSync 和非公平锁 NonfairSync 的实现：

    // 公平锁
    static final class FairSync extends Sync {
        // omit a lot
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
    // 非公平锁
    static final class NonfairSync extends Sync {
        // omit a lot
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // omit a lot
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
}

公平锁的 tryAcquire 方法所做事情大致如下：

检查了锁的状态，如果锁不被任何线程占用，且没有等待中的线程，则尝试用 CAS 设置状态，成功则 setExclusiveOwnerThread 设置占用锁的线程为当前线程。
如果当前线程已经占有了该锁，则 setState 更新更新重入次数。
上述两条都失败，则表示无法立即获得锁，返回 false。

非公平锁的 tryAcquire 也大致一样，只是缺少判断是否有等待中的线程，而是尽最大努力去获取锁。他们的共同点是更新锁状态 state，设置当前占用锁的线程 setExclusiveOwnerThread，其中最关键的是更新锁状态 state。

值得注意的是，为何 tryAcquire 这些方法不是抽象方法，而是提供了一个默认的抛异常的方法呢？因为 AQS 中包含多种模式，而实际使用者一般只需要一种，如果不提供默认拒绝的实现，那就需要使用方去手动覆盖，反而显得啰嗦了。

    // in AQS
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

CHL 队列

在 AQS 中，提供了一个基于 CHL 队列的先进先出的阻塞锁。CHL 队列的入队出队操作是不需要加锁的，只是在入队成功后等待资源释放时会阻塞。在Java锁的种类以及辨析（二）：自旋锁的其他种类里也提到了一种基于自旋的 CHL 锁。

CHL 队列本质上就是一个基于 CAS 实现的双向链表，其实也算“无锁队列”了，其节点 Node 如下所示：

    static final class Node {
        volatile int waitStatus; // 节点状态
        volatile Node prev;      // 前置节点
        volatile Node next;      // 后置节点
        volatile Thread thread;  // 所属线程
        Node nextWaiter;         // 可以用于标记独占 OR 共享模式，也可以用来记录等待条件变量的下一个节点
    }

当 nextWaiter 用于标记独占或共享时，其值可以为：

/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;

waitStatus 的值可以有以下几种：

static final int CANCELLED =  1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
static final int SIGNAL    = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
static final int PROPAGATE = -3;

入队

CHL 队列的入队操作间 addWaiter 方法，入队采用 CAS 自旋重试，总是添加到尾节点：

    // 尾节点
    private transient volatile Node head;
    // 头节点
    private transient volatile Node tail;
    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;
    }
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

出队

如果当前节点的前任节点是头节点，则尝试获得锁，成功则出队，并且返回。下面代码的第 8-11 行为出队操作，所做事情为：把本节点 node 置为头节点，并且把新旧头节点直接的关联字段置空（新节点 prev 和旧节点 next）。

注：旧头节点置空是为了什么呢？已经无用的 Node 能够被 GC 回收掉。

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    private void setHead(Node node) {
        head = node;
        node.thread = null;
        node.prev = null;
    }

AQS 之 ConditionObject

在 AQS 中，还有一个 ConditionObject 类，顾名思义是一个条件变量，提供了类似于 Object wait/notify 的机制。

ConditionObject 实现了 Condition 接口，提供了多种条件变量等待接口：可中断、不可中断、超时机制，以及两种唤醒机制：单个、全部。

public interface Condition {  
    // 在条件变量上等待
    void await() throws InterruptedException;  
    void awaitUninterruptibly();  
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;  
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;  
    // 唤醒
    void signal();  
    void signalAll();  
}

await

await 方法类似于 Object#wait 方法，调用之前需要先获得锁。

        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            // 将当前线程添加到条件队列里
            Node node = addConditionWaiter();
            // 是否锁资源，也就是说调用 await 之前要先获得锁
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            // 循环阻塞等待，直到被中断，或进入 AQS 锁的同步队列
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            // signal 之后，进入同步队列，再通过 acquireQueued 竞争锁
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            // 中断处理
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

signal

signal 方法类似于 Object#notify 方法，主要功能是唤醒下一个等待中的线程。

        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
        // 唤醒一个节点
        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        // 唤醒该节点
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

用法

ConditionObject 常用在各种队列的实现中，比如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、DelayQueue等，这里我们以 ArrayBlockingQueue 为例学习一下其用法。

请看下面 ArrayBlockingQueue 的代码里锁和条件变量的用法，条件变量是跟锁绑定的，这里一个锁对应多个条件变量：队列非空、队列非满。

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    /** Main lock guarding all access */
    final ReentrantLock lock;
    /** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;
    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;

    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }
}

在向队列中存放元素时：

获得锁
如果队列满，则调用 notFull.await() 等待
队列不满时，则插入数据，并且向 notEmpty 条件变量发 signal 信号
解锁

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            insert(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    private void insert(E x) {
        items[putIndex] = x;
        putIndex = inc(putIndex);
        ++count;
        notEmpty.signal();
    }

在从队列里取元素时：

加锁
如果队列空，则调用 notEmpty.await() 等待
队列非空，则取数据，并且向 notFull 条件变量发送 signal 信号
解锁

    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return extract();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    private E extract() {
        final Object[] items = this.items;
        E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);
        items[takeIndex] = null;
        takeIndex = inc(takeIndex);
        --count;
        notFull.signal();
        return x;
    }

总结

AQS 框架提供了先进先出的阻塞锁实现，在此基础上，提供了独占和共享等多种模式供使用方实现。除此之外，还提供了一个条件变量的实现。

锁是一种线程同步机制，用于保护对临界资源的访问。条件变量提供了一个“等待 - 唤醒”的机制，在阻塞队列里起到了生产者和消费者之间的通信的作用。

Java 同步框架 AQS 深入分析

概述

实现

设计模式

CHL 队列

入队

出队

AQS 之 ConditionObject

await

signal

用法

总结

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