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java同步系列之AQS起篇

知优码 2019-11-09Java源码
问题(1)AQS是什么?(2)AQS的定位?(3)AQS的实现原理?(4)基于AQS实现自己的锁?简介AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer,它的定位是为Java中几乎所有

问题

(1)AQS是什么?

(2)AQS的定位?

(3)AQS的实现原理?

(4)基于AQS实现自己的锁?

简介

AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer,它的定位是为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架。

AQS是基于FIFO的队列实现的,并且内部维护了一个状态变量state,通过原子更新这个状态变量state即可以实现加锁解锁操作。

核心源码

主要内部类

static final class Node {
    // 标识一个节点是共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 标识一个节点是互斥模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    // 标识线程已取消
    static final int CANCELLED =  1;
    // 标识后继节点需要唤醒
    static final int SIGNAL    = -1;
    // 标识线程等待在一个条件上
    static final int CONDITION = -2;
    // 标识后面的共享锁需要无条件的传播(共享锁需要连续唤醒读的线程)
    static final int PROPAGATE = -3;
    
    // 当前节点保存的线程对应的等待状态
    volatile int waitStatus;

    // 前一个节点
    volatile Node prev;
    
    // 后一个节点
    volatile Node next;

    // 当前节点保存的线程
    volatile Thread thread;

    // 下一个等待在条件上的节点(Condition锁时使用)
    Node nextWaiter;

    // 是否是共享模式
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    // 获取前一个节点
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }

    // 节点的构造方法
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }

    // 节点的构造方法
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        // 把共享模式还是互斥模式存储到nextWaiter这个字段里面了
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    // 节点的构造方法
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        // 等待的状态,在Condition中使用
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

典型的双链表结构,节点中保存着当前线程、前一个节点、后一个节点以及线程的状态等信息。

主要属性

// 队列的头节点
private transient volatile Node head;
// 队列的尾节点
private transient volatile Node tail;
// 控制加锁解锁的状态变量
private volatile int state;

定义了一个状态变量和一个队列,状态变量用来控制加锁解锁,队列用来放置等待的线程。

注意,这几个变量都要使用volatile关键字来修饰,因为是在多线程环境下操作,要保证它们的值修改之后对其它线程立即可见。

这几个变量的修改是直接使用的Unsafe这个类来操作的:

// 获取Unsafe类的实例,注意这种方式仅限于jdk自己使用,普通用户是无法这样调用的
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// 状态变量state的偏移量
private static final long stateOffset;
// 头节点的偏移量
private static final long headOffset;
// 尾节点的偏移量
private static final long tailOffset;
// 等待状态的偏移量(Node的属性)
private static final long waitStatusOffset;
// 下一个节点的偏移量(Node的属性)
private static final long nextOffset;

static {
    try {
        // 获取state的偏移量
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
        // 获取head的偏移量
        headOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
        // 获取tail的偏移量
        tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
        // 获取waitStatus的偏移量
        waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
        // 获取next的偏移量
        nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (Node.class.getDeclaredField("next"));

    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

// 调用Unsafe的方法原子更新state
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

 

子类需要实现的主要方法

我们可以看到AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer,它本质上是一个抽象类,说明它本质上应该是需要子类来实现的,那么子类实现一个同步器需要实现哪些方法呢?

// 互斥模式下使用:尝试获取锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 互斥模式下使用:尝试释放锁
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 共享模式下使用:尝试获取锁
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 共享模式下使用:尝试释放锁
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 如果当前线程独占着锁,返回true
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

问题:这几个方法为什么不直接定义成抽象方法呢?

因为子类只要实现这几个方法中的一部分就可以实现一个同步器了,所以不需要定义成抽象方法。

下面我们通过一个案例来介绍AQS中的部分方法。

基于AQS自己动手写一个锁

直接上代码:

public class MyLockBaseOnAqs {

    // 定义一个同步器,实现AQS类
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 实现tryAcquire(acquires)方法
        @Override
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
        // 实现tryRelease(releases)方法
        @Override
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
    }

    // 声明同步器
    private final Sync sync = new Sync();

    // 加锁
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    // 解锁
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }


    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyLockBaseOnAqs lock = new MyLockBaseOnAqs();

        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);

        IntStream.range(0, 1000).forEach(i -> new Thread(() -> {
            lock.lock();

            try {
                IntStream.range(0, 10000).forEach(j -> {
                    count++;
                });
            } finally {
                lock.unlock();
            }
//            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            countDownLatch.countDown();
        }, "tt-" + i).start());

        countDownLatch.await();

        System.out.println(count);
    }
}

运行main()方法总是打印出10000000(一千万),说明这个锁也是可以直接使用的,当然这也是一个不可重入的锁。

是不是很简单,只需要简单地实现AQS的两个方法就完成了上一章彤哥自己动手实现的锁的功能。

它是怎么实现的呢?

我们这一章先不讲源码,后面学习了ReentrantLock自然就明白了。

总结

这一章就到此结束了,本篇没有去深入的解析AQS的源码,笔者认为这没有必要,因为对于从来都没有看过锁相关的源码的同学来说,一上来就讲AQS的源码肯定会一脸懵逼的,具体的源码我们穿插在后面的锁和同步器的部分来学习,等所有跟AQS相关的源码学习完毕了,再来一篇总结。

下面总结一下这一章的主要内容:

(1)AQS是Java中几乎所有锁和同步器的一个基础框架,这里说的是“几乎”,因为有极个别确实没有通过AQS来实现;

(2)AQS中维护了一个队列,这个队列使用双链表实现,用于保存等待锁排队的线程;

(3)AQS中维护了一个状态变量,控制这个状态变量就可以实现加锁解锁操作了;

(4)基于AQS自己动手写一个锁非常简单,只需要实现AQS的几个方法即可。