• 30_AQS


    【参考文章】

    https://www.jianshu.com/p/df0d7d6571de

    http://ifeve.com/introduce-abstractqueuedsynchronizer/

    【 AbstractQueuedSynchronizer概述 】

    AbstractQueuedSynchronizer,队列同步器,简称AQS,基于FIFO,是Java并发用来构建锁或者其他同步组件的基础框架。

    一般使用AQS的主要方式是继承,子类通过实现它提供的抽象方法来管理同步状态(同步器用了一个int值来表示状态),主要管理的方式是通过tryAcquire()和tryRelease()类似的方法来操作状态,同时AQS提供以下线程安全的方式来对状态进行操作:

    protected final int getState();
    protected final void setState(int newState);
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update);
    【AQS主要是怎么使用的呢?】
    在Java的同步组件中,AQS的子类一般是同步组件的静态内部类

    【AQS和同步组件的关系】

    AQS是实现同步组件的关键,它两的关系:

    同步组件是面向使用者的,它定义了使用者与组件交互的接口,隐藏了具体的实现细节。

    AQS面向的是同步组件的实现类,它简化了具体的实现方式,屏蔽了线程切换相关的底层操作。

    它俩一起很好地对使用者和是实现者锁关注的领域做了一个隔离。

    【AQS实现分析】

    【同步队列分析】

    AQS的实现以来内部的同步队列(FIFO双向队列)来完成同步状态的管理,如果当前线程获取同步状态(锁)失败,AQS会将该线程以及等待状态能信息构造成一个Node,如下:

    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    并将其加入同步队列,同时阻塞当前线程。当同步状态释放时候,唤醒队列的首节点。

    【Node】

    Node主要包含以下成员变量

    static final class Node {
        volatile int waitStatus;
        volatile Node prev;
        volatile Node next;
        volatile Thread thread;
        Node nextWaiter;
    }

    [ Node成员变量—— waitStatus ]

    Node是AbstractQueuedSynchronizer中的一个静态内部类。

    表示节点的状态

    CANCELLED 1,当前线程被取消
    SIGNAL-1,当前节点的后继节点包含的线程需要运行,即unpark
    CONDITION-2,当前节点在等待condition,即在condition队列中
    PROPAGETE-3,当前场景下后续的acquireShared能够可以执行
    0:当前节点在sync队列中,等待着获取锁

    [ Node成员变量 —— prev ]

    前驱节点,如果当前节点被取消,那就需要前驱节点和后继节点完成连接。

    [ Node成员变量 —— next ]

    后继节点。

    [ Node成员变量 —— thread ]

    入队时的当前线程。

    [ Node成员变量 —— nextWaiter ]

    存储condition队列中的后继节点。

    Node节点成为sync队列和condition队列构建的基础。在AQS中就拥有了三个成员变量。

    【 AQS成员变量 】

     对于锁的获取,请求形成节点,将其挂载在尾部,而锁资源的转移(释放再获取)是从头部开始遍历向尾部进行的。

    [ AQS 插入节点 ]

    节点插入,AQS提供基于CAS的设置尾部节点的方法,如下:

    参数:需要传递当前线程认为的尾节点当前节点,设置成功后,当前节点和尾节点建立关系。

    [ AQS 删除节点 ]

    同步队列遵循FIFO,首节点是获取同步状态成功的节点,首节点的线程在释放同步状态之后将会唤醒其后继节点,后继节点将会获取同步状态成功的时候将自己设置为首节点。

    注意:设置首节点是由获取同步状态成功的线程来完成,因为每次只有一个线程能获取到同步状态,所以,设置首节点并不需要CAS来保证。

    【AQS的API说明】

    方法名称 描述
    protected boolean tryAcquire(int arg) 排它地获取这个状态。这个方法的实现需要查询当前的同步状态是否允许获取,然后再进行获取(使用compareAndSetState来做)状态。
    protected boolean tryRelease(int arg)  释放状态。
    protected int tryAcquireShared(int arg) 共享的模式下获取同步状态。
    protected boolean tryReleaseShared(int arg) 共享的模式下释放同步状态。
    protected boolean isHeldExclusively() 在排它模式下,同步状态是否被占用。

    【 AQS源码分析——acquire( int arg )方法 】

    [执行流程]

    1.调用tryAcquire(arg)方法尝试获取同步状态(锁)。

    2.如果获取不到同步状态,将当前线程构造成Node节点并加入同步队列。

    3.再次尝试获取,如果还是没有获取到,那么将当前线程从调度器上摘下,进入等待状态。

    [ acquire( int arg )-->addWaiter(Node node) 方法]

    1.使用当前的Thread构造Node。

    2.尝试在队尾插入节点,如果节点已经存在,就做以下操作:

    - 分配引用T指向尾节点;
    - 将待插入节点的prev指针指向尾节点;
    - 如果尾节点还为T,将当前尾节点设置为带待插入节点;
    - T的next指针指向待插入节点。

    3.快速在队尾插入节点,失败则进入enq(Node node)方法。

     [ acquire( int arg ) --> addWaiter(Node node) --> enq(Node node) 方法]

    enq(Node node)的逻辑可以确保Node可以有顺序地添加到同步队列中,具体的加入逻辑如下:

    1.初始化同步队列,如果尾节点为空,分配一个头结点,并将尾节点指向头结点。

    2.节点入队,通过CAS将节点设置为尾节点,以此在队尾做节点插入。

    可以看出,整个enq(Node node)方法通过“死循环”来保证节点的正确插入。

    进入同步队列之后,接下来就是同步状态的获取,或者说是访问控制acquireQueued。对于同步队列中的线程,在同一时刻只能由队列首节点获取同步状态,其他的线程进入等待,只到符合条件才能继续进行。

    [ acquire( int arg )--> acquireQueued(Node node , int arg)方法 ]

    1.获取当前节点的前驱节点

    2.如果当前节点的前驱节点是头节点,并且可以获取同步状态(锁),设置当前节点为头结点,该节点占有锁。

    3.不满足条件的线程进入等待状态。

    整个方法中,当前线程一直在“死循环”中获取同步状态。

    节点自旋获取同步状态,如下图:

    从代码的逻辑也可以看出,其实节点与节点之间在循环检查的过程中,是不会相互通信的,仅仅只是判断自己当前的前驱节点是不是头结点,这样的设计使得节点的释放符合FIFO,同时也避免了过早通知。

    注意:过早通知是指 前驱节点不是头结点的线程由于终端而被唤醒。

    [ acquiure()实现总结 ]

    1.同步状态维护

    对同步状态的操作是原子、非阻塞的,通过AQS提供的对状态访问的方法来对同步状态进行操作,并且利用CAS来确保原子操作。

    2.状态获取

    一旦线程成功地修改了同步状态,那么该线程会被设置为同步队列的头结点。

    3.同步队列维护

    不符合同步状态的线程会进入等待状态,直到符合条件被唤醒再开始执行。

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