• 并发和多线程(十五)AbstractQueuedSynchronizer共享锁和Condition条件队列 Diamond



    在上篇博客中了解了排他锁的基本源码实现,所以现在我们学习下共享锁的源码,二者的源码实现大部分都是相同的,而且了解了排他锁的原理之后,我们现在阅读共享锁的源码会更加得心应手。

    排他锁:当前锁只能被一个线程所持有,也只能有一个线程释放。

    共享锁:当前锁可以被多个线程持有,并且可以设置持有锁的线程数量。

    acquireShared()获取共享锁:

    //共享锁获取锁
    public final void acquireShared(int arg) {
    	if (tryAcquireShared(arg) < 0)
    		doAcquireShared(arg);
    }
    //排他锁获取锁
    public final void acquire(int arg) {
    	if (!tryAcquire(arg) &&
    		acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    		selfInterrupt();
    }
    

    从上面代码看到共享锁尝试获取锁的方法不同了,而且返回值不再是boolean,而是int类型,大于0和小于0分别表示当前是否有线程持有锁。方法需要子类实现,我们在后面去学习lock相关类的时候再去了解。

    doAcquireShared()

    private void doAcquireShared(int arg) {
    	//生成共享锁节点调用addWaiter,就是把节点添加到同步队列尾部
    	final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    	boolean failed = true;
    	try {
    		boolean interrupted = false;
    		for (;;) {
    			final Node p = node.predecessor();
    			if (p == head) {
    				int r = tryAcquireShared(arg);
    				//①
    				if (r >= 0) {
    					//②共享锁,排他锁的主要区别在这里
    					setHeadAndPropagate(node, r);
    					p.next = null; // help GC
    					if (interrupted)
    						selfInterrupt();
    					failed = false;
    					return;
    				}
    			}
    			if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
    				parkAndCheckInterrupt())
    				interrupted = true;
    		}
    	} finally {
    		if (failed)
    			cancelAcquire(node);
    	}
    }
    

    方法和排他锁的实现差不多,

    ①.如果p为head,也就是当前节点为head的后继节点,就会尝试获取锁,r>=0意味着当前有线程获取锁

    ②.排他锁,将node设置为head,而这里调用了setHeadAndPropagate()

    setHeadAndPropagate():

    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        //这里和排他锁相同
    	Node h = head; // Record old head for check below
    	setHead(node);
        
    	if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
    		(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
    		Node s = node.next;
    		if (s == null || s.isShared())
    			doReleaseShared();
    	}
    }
    

    6-11行的逻辑是,获取锁的节点被设置为head之后,判断后续节点是否是shared节点,通过nextWaiter判断(前面说过,nextWaiter对于同步队列来说就是判断共享锁和排他锁,而对于条件队列指的是下一个节点),如果是,将其唤醒。

    private void doReleaseShared() {
    
    	for (;;) {
    		Node h = head;
    		//当前队列至少两个节点
    		if (h != null && h != tail) {
    			int ws = h.waitStatus;
    			//如果head的状态的signal,后续节点需要唤醒
    			if (ws == Node.SIGNAL) {
    			
    				if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
    					continue;            // loop to recheck cases
    				//唤醒后驱节点
    				unparkSuccessor(h);
    			}
    			//如果状态为0,不能被设置为可传播的,跳过
    			else if (ws == 0 &&
    					 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
    				continue;                // loop on failed CAS
    		}
    		//如果head发生变化,就继续循环,直到不发生变化,break,因为这个方法获取锁和解锁都会调用,head可能发生变化
    		if (h == head)                   // loop if head changed
    			break;
    	}
    }
    

    总结:
    共享锁和排他锁主要区别就是,当一个线程获取锁之后,会尝试唤醒其后面的节点,能够让多个线程同时拥有锁,例如读锁。

    条件队列:

    一直学习到目前,好像发现条件队列的存在没有必要一样,但是其实不是,下面一起来了解下。Condition存在的原因是:同步队列无法解决所有的使用场景,例如锁+队列的使用场景,同步队列决定线程获取锁,如果需要排队阻塞就要用到Condition,无论是线程池ThreadPoolExecutor还是LinkedBlockingQueue等,都用到了条件队列。条件队列对这些线程进行管理,通过await()和signal()阻塞和唤醒。
    关于condition的实现在刚开始学习AQS时就了解过了,和object的wait()和notify、notifyAll思想一致。

    同步队列:负责加锁,解锁,互斥访问,双向队列。
    条件队列:负责同步协作,单向队列。

    public final void await() throws InterruptedException {
        //响应中断,抛出异常
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //①添加当前线程对应的节点到Condition queue尾部
        Node node = addConditionWaiter();
        //②释放节点,保证在加入条件队列阻塞之前,释放获取独占锁时的资源
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        //③当前节点如果不在同步队列,将自己挂起。
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        //从while break说明线程被signal,转移到同步队列,所以直接acquireQueued在同步队列阻塞,而且说明条件队列只能和独占锁结合使用
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        //代码执行到这里说明,已经获取到独占锁,删除cancel的节点
        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    

    ①addConditionWaiter()

    private Node addConditionWaiter() {
        //条件队列tail
        Node t = lastWaiter;
        // 如果tail状态不是condition,清楚条件队列中所有状态非condition的节点
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            //就是遍历所有节点,剔除不符合的节点, 其中trail表示上一个状态
            unlinkCancelledWaiters();
            t = lastWaiter;
        }
        //创建状态为condition的新节点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        //如果条件队列为空,node为head,否则挂到后面
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        else
            t.nextWaiter = node;
        lastWaiter = node;
        return node;
    }
    

    ②fullyRelease

    final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            //释放锁,并唤醒后续节点
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            //如果失败,将节点状态设置为cancelled
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }
    

    ③isOnSyncQueue(node):

    当前节点此时不在同步队列的可能大概是有两种:

    1.刚加入条件队列,然后就被其他线程signal转移到同步队列。

    2.之前就在这阻塞,被唤醒加入同步队列。

    final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
        //如果节点waitStatus为CONDITION,或者prev为null,返回false
        if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
            return false;
        if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue,因为条件队列中没有next,而是nextWaiter
            return true;
        //从tail开始遍历查询节点
        return findNodeFromTail(node);
    }
    

    signal()

    条件队列的阻塞通过signal或者signalAll()进行唤醒,和notify/notifyAll理念相同,下面来了解一下。

    public final void signal() {
        //判断当前线程和持有锁的线程是否一致,不一致,直接抛出异常
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        //条件队列首节点不为null,doSignal
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            //将条件队列头结点转移到同步队列中去
            doSignal(first);
    }
    

    doSignal()

    private void doSignal(Node first) {
        do {
            //当前遍历到队尾了
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                
                lastWaiter = null;
            //从头结点开始遍历,这步操作就是把first从条件队列剔除
            first.nextWaiter = null;
            //transferForSignal把节点转移到同步队列中,(first = firstWaiter) != null为false表示遍历结束
        } while (!transferForSignal(first) &&
                 (first = firstWaiter) != null);
    }
    

    transferForSignal()

    final boolean transferForSignal(Node node) {
        //CAS把node状态从condition设置为0,0就是初始化,失败返回false
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        //把当前节点添加到同步队列尾部,返回其前一个节点
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        //如果p被取消,或者状态设置为signal失败,都会唤醒当前线程,成功返回true
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }
    

    如果转移成功,返回true,否则返回false。这个过程和排他锁的获取锁的过程相似,将节点添加到队列尾部,将前驱节点状态设置signal。关于signalAll()方法这里就不写了,可以自行了解一下,代码差不多,多了个while循环。

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