AQS原理分析
什么是AQS
java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为,比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等,而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer(简称AQS)实现的,AQS是一个抽象同步框架,可以用来实现一个依赖状态的同步器。
JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等,都是基于AQS框架来实现的。
- 一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
- 将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法
AQS具备的特性:
- 阻塞等待队列
- 共享/独占
- 公平/非公平
- 可重入
- 允许中断
AQS内部维护属性 volatile int state
state表示资源的可用状态,State三种访问方式:
- getState()
- setState()
- compareAndSetState()
AQS定义两种资源共享方式
-
Exclusive-独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock
-
Share-共享,多个线程可以同时执行,如Semaphore/CountDownLatch
AQS定义两种队列
- 同步等待队列: 主要用于维护获取锁失败时入队的线程
- 条件等待队列: 调用await()的时候会释放锁,然后线程会加入到条件队列,调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中,等待再次获得锁
AQS 定义了5个队列中节点状态(state的值):
- 0,初始化状态,表示当前节点在sync队列中,等待着获取锁;
- CANCELLED,值为1,表示当前的线程被取消;
- SIGNAL,值为-1,表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行,也就是unpark;
- CONDITION,值为-2,表示当前节点在等待condition,也就是在condition队列中;
- PROPAGATE,值为-3,表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行;
不同的自定义同步器竞争共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:
- isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
- tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
- tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
- tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
- tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。
同步等待队列
AQS当中的同步等待队列也称CLH队列,CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列,是FIFO先进先出线程等待队列,Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。
AQS依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理:- 当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程
- 当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。
- 通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。(由条件队列转化为同步队列)
条件等待队列
AQS中条件队列是使用单向列表保存的,用nextWaiter来连接:
- 调用await方法阻塞线程,加入到条件队列中;
- 当前线程存在于同步队列的头结点,调用await方法进行阻塞(从同步队列转化到条件队列)
Condition接口详解
1. 调用Condition#await方法会释放当前持有的锁,然后阻塞当前线程,同时向Condition队列尾部添加一个节点,所以调用Condition#await方法的时候必须持有锁。此时会转入条件队列。 2. 调用Condition#signal方法会将Condition队列的首节点移动到阻塞队列尾部,然后唤醒因调用Condition#await方法而阻塞的线程(唤醒之后这个线程就可以去竞争锁了),所以调用Condition#signal方法的时候必须持有锁,持有锁的线程唤醒被因调用Condition#await方法而阻塞的线程。此时条件队列转同步队列(获取锁成功的前提下)。
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