Java多线程之同步器基础：AQS框架深入分析

一、什么是同步器

 

    多线程并发的执行，之间通过某种共享状态来同步这个共同的语义可以称之为同步器。可以认为以上所有的锁机制都可以基于同步器定制来实现的。 

 

而juc(java.util.concurrent)里的思想是将这些场景抽象出来的语义通过统一的同步框架来支持。

juc 里所有的这些锁机制都是基于 AQS （ AbstractQueuedSynchronizer ）框架上构建的。下面简单介绍下 AQS（ AbstractQueuedSynchronizer ）。 可以参考Doug Lea的论文The java.util.concurrent Synchronizer Framework

  

我们来看下java.util.concurrent.locks大致结构

上图中，LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上，为何图中没有用UML线表示呢，这是每个Lock实现类都持有自己内部类Sync的实例，而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync呢？这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。下文会举例说明不同同步器内的Sync与state实现。

 

 

二、AQS框架如何构建同步器

 

0、同步器的基本功能

 

一个同步器至少需要包含两个功能：

1.       获取同步状态

如果允许，则获取锁，如果不允许就阻塞线程，直到同步状态允许获取。

2.       释放同步状态

修改同步状态，并且唤醒等待线程。

 

根据作者论文， aqs 同步机制同时考虑了如下需求：

1.独占锁和共享锁两种机制。

2.线程阻塞后，如果需要取消，需要支持中断。

3.线程阻塞后，如果有超时要求，应该支持超时后中断的机制。

 

同步器的设计比较直接，主要包含获取和释放两个操作：

1、原子操作同步状态；（CAS乐观操作来保证）
2、阻塞或者唤醒一个线程；（setExclusiveOwnerThread本地方法实现）
3、内部应该维护一个队列。（FIFO队列，变种的CLH队列锁）

 

CLH队列的改动

1、为了可以处理timeout和cancel操作，每个node维护一个指向前驱的指针。如果一个node的前驱被cancel，这个node可以前向移动使用前驱的状态字段。

2、第二个变动是使用当前队列的头节点的状态来控制阻塞，而不是自旋。

一个排队的线程调用acquire，只有在通过了子类实现的tryAcquire才能返回，确保只有队头线程才允许调用tryAcquire。

3、另外还有一些微小的改动：head结点使用的是傀儡结点。

4、支持独占模式的节点按条件去获取锁、支持中断及超时

5、tryAcquire失败后节点入队：默认加到队尾，需要判断当前队尾是否有元素，然后通过cas操作设置节点进去，同时考虑并发，会不断重试直到成功

tryRelease成功后节点出队（获取同步状态）：判断待当前出队节点的前驱节点为头节点且获取同步状态成功，就将该节点设置为头节点，并且将节点相关对象置空，helpgc,完成队列出队。同时唤醒队列中的下一个节点。

 

Node节点的waitStatus初始化为0：

SIGNAL：释放或取消获取同步状态的线程必须唤醒该节点，否则会被阻塞

CANCELLED：该节点由于超时或中断已被取消获取同步状态

CONDITION：该节点需要等待指定条件发生后才能被唤醒 

PROPAGATE：releaseShared模式下指定其它节点也可以有机会被唤醒获取同步状态。

 

1、同步状态的获取与释放 

 

AQS实现了一个同步器的基本结构，下面以独占锁与共享锁分开讨论，来说明AQS怎样实现获取、释放同步状态。

 

1.1、独占模式

 

独占获取： tryAcquire 本身不会阻塞线程，如果返回 true 成功就继续，如果返回 false 那么就阻塞线程并加入阻塞队列。

 

public final void acquire(int arg) {

        if (!tryAcquire(arg) &&

            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//获取失败，则加入等待队列

            selfInterrupt();

}

  

独占且可中断模式获取：支持中断取消 

public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {

        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))

            doAcquireInterruptibly(arg);

    }

 

独占且支持超时模式获取： 带有超时时间，如果经过超时时间则会退出。 

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {

     if (Thread.interrupted())

         throw new InterruptedException();

     return tryAcquire(arg) ||

         doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);

 

 

独占模式释放：释放成功会唤醒后续节点

 

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

  

1.2、共享模式

 

共享模式获取 

public final void acquireShared(int arg) {

    if (tryAcquireShared(arg) < 0)

        doAcquireShared(arg);

  可中断模式共享获取  

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

   共享模式带定时获取

 [java] view plaincopy

public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
     if (Thread.interrupted())
         throw new InterruptedException();
     return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
         doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

  

共享锁释放

 

public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

 

注意以上框架只定义了一个同步器的基本结构框架，里面依赖的 tryAcquire 、 tryRelease 、tryAcquireShared 、 tryReleaseShared 四个方法在 AQS 里没有实现，这四个方法不会涉及线程阻塞，而是由子类各自不同的使用场景根据情况来定制:

 

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();

}
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

 

 

从以上源码可以看出AQS实现基本的功能：

AQS虽然实现了acquire，和release方法是可能阻塞的，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的且是不阻塞的。可以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为是由AQS框架来实现。

 

3、状态获取、释放成功或失败的后续行为：线程的阻塞、唤醒机制

 

有别于wait和notiry。这里利用 jdk1.5 开始提供的 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的本地方法实现，实现线程的阻塞和唤醒。

 

得到锁的线程禁用(park)和唤醒(unpark)，也是直接native实现（这几个native方法的实现代码在hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cpp文件中，但是关键代码park的最终实现是和操作系统相关的，比如windows下实现是在os_windows.cpp中，有兴趣的同学可以下载jdk源码查看）。唤醒一个被park()线程主要手段包括以下几种
1. 其他线程调用已被park()线程为参数的unpark(Thread thread).
2. 其他线程中断被park()线程,如waiters.peek().interrupt();waiters为存储线程对象的队列.
3. 不知原因的返回。

park()方法返回并不会报告到底是上诉哪种返回，所以返回好最好检查下线程状态，如

 

LockSupport.park();  //禁用当前线程
if(Thread.interrupted){
//doSomething
}

 

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）对于这点实现得相当巧妙，如下所示

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throwsInterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    try {
         for (;;) {
             final Node p = node.predecessor();
             if (p == head) {
                 int r = tryAcquireShared(arg);
                 if (r >= 0) {
                     setHeadAndPropagate(node, r);
                     p.next = null; // help GC
                     return;
                 }
            }
             //parkAndCheckInterrupt()会返回park住的线程在被unpark后的线程状态，如果线程中断，跳出循环。
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 break;
      }
     } catch (RuntimeException ex) {
          cancelAcquire(node);
          throw ex;
 }

     // 只有线程被interrupt后才会走到这里
     cancelAcquire(node);
     throw new InterruptedException();
}

//在park()住的线程被unpark()后，第一时间返回当前线程是否被打断
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

4、线程阻塞队列的维护 

 

阻塞线程节点队列 CHL Node queue 。

根据论文里描述， AQS 里将阻塞线程封装到一个内部类 Node 里。并维护一个 CHL Node FIFO 队列。 CHL队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。实现无锁且快速的插入。关于非阻塞算法可以参考  Java 理论与实践: 非阻塞算法简介 。CHL队列对应代码如下：

 

 /**
 * CHL头节点
 */
rivate transient volatile Node head;
/**
 * CHL尾节点
 */
private transient volatile Node tail;

  

  Node节点是对Thread的一个封装，结构大概如下：

 

static final class Node {
    /** 代表线程已经被取消*/
    static final int CANCELLED =  1;
    /** 代表后续节点需要唤醒 */
    static final int SIGNAL    = -1;
    /** 代表线程在等待某一条件/
    static final int CONDITION = -2;
    /** 标记是共享模式*/
    static final Node SHARED = new Node();
    /** 标记是独占模式*/
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 状态位 ，分别可以使CANCELLED、SINGNAL、CONDITION、0
     */
    volatile int waitStatus;

    /**
     * 前置节点
     */
    volatile Node prev;

    /**
     * 后续节点
     */
    volatile Node next;

    /**
     * 节点代表的线程
     */
    volatile Thread thread;

    /**
     *连接到等待condition的下一个节点
     */
    Node nextWaiter;

}

  

5、小结

 

 

从源码可以看出AQS实现基本的功能：

1.同步器基本范式、结构

2.线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

 

还有以下一些私有方法，用于辅助完成以上的功能：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) ：申请队列

private Node enq(final Node node) : 入队

private Node addWaiter(Node mode) ：以mode创建创建节点，并加入到队列

private void unparkSuccessor(Node node) ： 唤醒节点的后续节点，如果存在的话。

private void doReleaseShared() ：释放共享锁

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate)：设置头，并且如果是共享模式且propagate大于0，则唤醒后续节点。

private void cancelAcquire(Node node) ：取消正在获取的节点

private static void selfInterrupt() ：自我中断

private final boolean parkAndCheckInterrupt() ： park 并判断线程是否中断

 

 

三、AQS在各同步器内的Sync与State实现

 

 

1、什么是state机制：

 

 

提供 volatile 变量 state;  用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

 

/**
 * 同步状态
 */
private volatile int state;

/**
 *cas
 */
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

 

2、不同实现类的Sync与State：

 

基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等，这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放，只是条件不一样而已。

 

2.1、ReentrantLock

 

    ReentrantLock,控制并发资源，功能上等同于synchronize。支持公平与非公平获取，默认空的构造方法时支持非公平获取。支持超时中断。

         state为0表示同步状态可被获取，非0表示已被持有及后续继续可能被争抢的次数

#tryAcquire：如果state为0，就让当前线程获取锁并state设置为acquires；不为0且当前线程获取了同步状态，就将state的值加上acquires；如果state不为0且不是当前线程获取状态，则该次获取状态失败

          #tryRelease：如果当前线程没有获取状态，则不能释放该同步状态，直接抛出IllegalMonitorStateException；否则看当状态值减去releases是否为0，是0则释放状态成功，并将拥有同步状态的线程置为null。否则释放状态失败。

    需要记录当前线程获取原子状态的次数，如果次数为零，那么就说明这个线程放弃了锁（也有可能其他线程占据着锁从而需要等待），如果次数大于1，也就是获得了重进入的效果，而其他线程只能被park住，直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。

 

//公平获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁
    if (c == 0) {
        //如果是第一个等待者，并且设置重进入数成功，那么当前线程获得锁
        if (isFirst(current) &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
     }
 }
    //如果当前线程本身就持有锁，那么叠加重进入数，并且继续获得锁
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
 }
     //以上条件都不满足，那么线程进入等待队列。
     return false;
}

 

2.2、Semaphore

 

则是要记录当前还有多少次许可可以使用，到0，就需要等待，也就实现并发量的控制，Semaphore一开始设置许可数为1，实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现

 

 

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    for (;;) {
         Thread first = getFirstQueuedThread();
         //如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程，那么就返回-1表示当前线程需要等待
         if (first != null && first != current)
              return -1;
         //如果当前队列没有等待者，或者当前线程就是等待队列第一个等待者，那么先取得semaphore还有几个许可证，并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值
         int available = getState();
         int remaining = available - acquires;
         //如果remining<0，那么反馈给AQS当前线程需要等待，如果remaining>0，并且设置availble成功设置成剩余数，那么返回剩余值(>0)，也就告知AQS当前线程拿到许可，可以继续执行。
         if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))
             return remaining;
 }
}

 

2.3、CountDownLatch

 

闭锁则要保持其状态，在这个状态到达终止态之前，所有线程都会被park住，闭锁可以设定初始值，这个值的含义就是这个闭锁需要被countDown()几次，因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话，那么这个闭锁需要被countDown()十次，才能够将这个初始值减到0，从而释放原子状态，让等待的所有线程通过。

 

 

//await时候执行，只查看当前需要countDown数量减为0了，如果为0，说明可以继续执行，否则需要park住，等待countDown次数足够，并且unpark所有等待线程
public int tryAcquireShared(int acquires) {
     return getState() == 0? 1 : -1;
}

//countDown 时候执行，如果当前countDown数量为0，说明没有线程await，直接返回false而不需要唤醒park住线程，如果不为0，得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。
public boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
         int c = getState();
         if (c == 0)
             return false;
         int nextc = c-1;
         if (compareAndSetState(c, nextc))
             return nextc == 0;
 }
}

 

2.4、FutureTask

 

需要记录任务的执行状态，当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法，即让具体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态，如果是RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法（与等待线程持相同的实例），设定执行结果，并且通过unpark唤醒正在等待的线程，返回结果。

 

 

//get时待用，只检查当前任务是否完成或者被Cancel，如果未完成并且没有被cancel，那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住
protected int tryAcquireShared(int ignore) {
     return innerIsDone()? 1 : -1;
}

//判定任务是否完成或者被Cancel
boolean innerIsDone() {
    return ranOrCancelled(getState()) &&    runner == null;
}

//get时调用，对于CANCEL与其他异常进行抛错
V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    if (!tryAcquireSharedNanos(0,nanosTimeout))
        throw new TimeoutException();
    if (getState() == CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    if (exception != null)
        throw new ExecutionException(exception);
    return result;
}

//任务的执行线程执行完毕调用（set(V v)）
void innerSet(V v) {
     for (;;) {
        int s = getState();
        //如果线程任务已经执行完毕，那么直接返回（多线程执行任务？）
        if (s == RAN)
            return;
        //如果被CANCEL了，那么释放等待线程，并且会抛错
        if (s == CANCELLED) {
            releaseShared(0);
            return;
     }
        //如果成功设定任务状态为已完成，那么设定结果，unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作（一般由FutrueTask的子类实现）
        if (compareAndSetState(s, RAN)) {
            result = v;
            releaseShared(0);
            done();
            return;
     }
 }
}

 

以上4个AQS的使用是比较典型，然而有个问题就是这些状态存在哪里呢？并且是可以计数的。从以上4个example,我们可以很快得到答案，AQS提供给了子类一个int state属性。并且暴露给子类getState()和setState()两个方法(protected)。这样就为上述状态解决了存储问题，RetrantLock可以将这个state用于存储当前线程的重进入次数，Semaphore可以用这个state存储许可数，CountDownLatch则可以存储需要被countDown的次数，而Future则可以存储当前任务的执行状态(RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer存储他们的一些状态。

AQS留给实现者的方法主要有5个方法，其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三个方法为需要独占形式获取的synchronizer实现的，比如线程独占ReetranLock的Sync，而tryAcquireShared和tryReleasedShared为需要共享形式获取的synchronizer实现。

ReentrantLock内部Sync类实现的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三个方法(因为获取锁的公平性问题，tryAcquire由继承该Sync类的内部类FairSync和NonfairSync实现)Semaphore内部类Sync则实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared(与CountDownLatch相似，因为公平性问题，tryAcquireShared由其内部类FairSync和NonfairSync实现)。CountDownLatch内部类Sync实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask内部类Sync也实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

参考内容来源：

【java并发】juc高级锁机制探讨
http://singleant.iteye.com/blog/1418580
Java并发同步器AQS(AbstractQueuedSynchronizer)学习笔记(1)
http://my.oschina.net/zavakid/blog/84882
Java并发同步器AQS(AbstractQueuedSynchronizer)学习笔记(2)
http://my.oschina.net/zavakid/blog/85008
JAVA LOCK代码浅析
http://rdc.taobao.com/team/jm/archives/414
java thread 之AQS
http://www.cnblogs.com/nod0620/archive/2012/07/23/2605504.html