ReentrantLock/CountDownLatch/Semaphore/FutureTask/ThreadPoolExecutor的源码中都会包含一个静态的内部类Sync,它继承了AbstractQueuedSynchronizer这个抽象类。
AbstractQueuedSynchronizer是java.util.concurrent包中的核心组件之一,为并发包中的其他synchronizers提供了一组公共的基础设施。
AQS会对进行acquire而被阻塞的线程进行管理,其管理方式是在AQS内部维护了一个FIFO的双向链表队列,队列的头部是一个空的结点,除此之外,每个结点持有着一个线程,结点中包含两个重要的属性waiteStatus和nextWaiter。结点的数据结构如下: Node中的属性waitStatus、prev、next、thread都使用了volatile修饰,这样直接的读写操作就具有内存可见性。 waitStatus表示了当前结点Node的状态
static final class Node { /** waitStatus的值,表示此结点中的线程被取消 */ static final int CANCELLED = 1; /** waitStatus value 表明后续结点中的线程需要unparking 唤醒 */ static final int SIGNAL = -1; /** waitStatus value 表明当前结点中的线程需要等待一个条件*/ static final int CONDITION = -2; /** 表明结点是以共享模式进行等待(shared mode)的标记*/ static final Node SHARED = new Node(); /** 表明结点是以独占模式进行等待(exclusive mode)的标记*/ static final Node EXCLUSIVE = null; /** * Status field, taking on only the values: * SIGNAL: 后继结点现在(或即将)被阻塞(通过park) 那么当前结点在释放或者被取消的时候必须unpark它的后继结点 * 为了避免竞态条件,acquire方法必须首先声明它需要一个signal,然后尝试原子的acquire * 如果失败了 就阻塞 * CANCELLED:当前结点由于超时或者中断而被取消 结点不会脱离这个状态 * 尤其是,取消状态的结点中的线程永远不会被再次阻塞 * CONDITION: 当前结点在一个条件队列中。它将不会进入sync队列中直到它被transferred * (这个值在这里的使用只是为了简化结构 跟其他字段的使用没有任何关系) * 0: None of the above 非以上任何值 * * 这些值通过数字来分类达到简化使用的效果 * 非负的数字意味着结点不需要信号signal 这样大部分的代码不需要检查特定的值 just 检查符号就ok了 * * 这个字段对于普通的sync结点初始化为0 对于条件结点初始化为CONDITION(-2) 本字段的值通过CAS操作进行修改 */ volatile int waitStatus; /** * 连接到当前结点或线程依赖的用于检查waitStatus等待状态的前驱结点。 * 进入队列时赋值,出队列时置空(为GC考虑)。 * 根据前驱结点的取消(CANCELLED),我们查找一个非取消结点的while循环短路,将总是会退出 ; * 因为头结点永远不会被取消:一个结点成为头结点只能通过一次成功过的acquire操作的结果 * 一个取消的线程永远不会获取操作成功(acquire操作成功) * 一个线程只能取消它自己 不能是其他结点 */ volatile Node prev; /** * 连接到当前结点或线程释放时解除阻塞(unpark)的后继结点 * 入队列时赋值,出队列时置空(为GC考虑) * 入队列时不会给前驱结点的next字段赋值,需要确认compareAndSetTail(pred, node)操作是否成功 (详见Node addWaiter(Node mode)方法) * 所以当我们发现结点的next为空时不一定就是tail尾结点 如果next为空,可以通过尾结点向前遍历即addWaiter中调用的enq(node)方法(个人觉 * 这是对第一次处理失败的亡羊补牢之举)官方说法double-check 双层检查 * * 被取消的结点next指向的是自己而不是空(详见cancelAcquire(Node node)中最后的node.next = node; )这让isOnSyncQueue变得简单 * Upon cancellation, we cannot adjust this field, but can notice * status and bypass the node if cancelled. */ volatile Node next; /** * 入队列结点中的线程,构造时初始化,使用完 就置空 */ volatile Thread thread; /** * 连接到下一个在条件上等待的结点 或者waitStatus为特殊值SHARED 共享模式 * 因为条件队列只有在独占模式(exclusive)下持有时访问,当结点等待在条件上,我们只需要一个简单的链表队列来持有这些结点 * 然后他们会转移到队列去进行re-acquire操作。 * 由于条件只能是独占的,我们可以使用一个特殊的值来声明共享模式(shared mode)来节省一个字段 */ Node nextWaiter; /** * 如果结点以共享模式等待 就返回true */ final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } /** * 返回当前结点的前驱结点如果为null就抛出NullPointException * @return the predecessor of this node */ final Node predecessor() throws NullPointerException { Node p = prev; if (p == null) throw new NullPointerException(); else return p; } //用于建立初始化头 或 共享标识 Node() { } //入队列时使用 Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } //用于条件结点 Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }
acquire操作
获取同步器
if(尝试获取成功){ return ; }else{ 加入队列;park自己 }
释放同步器
if(尝试释放成功){ unpark等待队列中的第一个结点 }else{ return false; }
/** * 以独占模式(exclusive mode)排他地进行的acquire操作 ,对中断不敏感 完成synchronized语义 * 通过调用至少一次的tryAcquire实现 成功时返回 * 否则在成功之前,一直调用tryAcquire(int)将线程加入队列,线程可能反复的阻塞和解除阻塞(park/unpark)。 * 这个方法可以用于实现Lock.lock()方法 * acquire是通过tryAcquire(int)来实现的,直至成功返回时结束,故我们无需自定义这个方法就可用它来实现lock。 * tryLock()是通过Sync.tryAquire(1)来实现的 * @param arg the acquire argument. 这个值将会被传递给tryAcquire方法 * 但他是不间断的 可以表示任何你喜欢的内容 */ public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } /** * 尝试以独占模式进行acquire操作 这个方法应该查询这个对象状态是否允许以独占模式进行acquire操作,如果允许就获取它 * * * <p>This method is always invoked by the thread performing * acquire. If this method reports failure, the acquire method * may queue the thread, if it is not already queued, until it is * signalled by a release from some other thread. This can be used * to implement method {@link Lock#tryLock()}. * * 默认实现抛出UnsupportedOperationException异常 * * @param arg the acquire argument. This value is always the one * passed to an acquire method, or is the value saved on entry * to a condition wait. The value is otherwise uninterpreted * and can represent anything you like. * @return {@code true} if successful. Upon success, this object has * been acquired. * @throws IllegalMonitorStateException if acquiring would place this * synchronizer in an illegal state. This exception must be * thrown in a consistent fashion for synchronization to work * correctly. * @throws UnsupportedOperationException if exclusive mode is not supported */ protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } /** * 以独占不可中断模式 * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in * queue. Used by condition wait methods as well as acquire. * * @param node the node * @param arg the acquire argument * @return {@code true} if interrupted while waiting */ final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { try { boolean interrupted = false;//记录线程是否曾经被中断过 for (;;) {//死循环 用于acquire获取失败重试 final Node p = node.predecessor();//获取结点的前驱结点 if (p == head && tryAcquire(arg)) {//若前驱为头结点 继续尝试获取 setHead(node); p.next = null; // help GC return interrupted; } ////检查是否需要等待(检查前驱结点的waitStatus的值>0/<0/=0) 如果需要就park当前线程 只有前驱在等待时才进入等待 否则继续重试 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //如果当前节点的前驱节点不是头结点,那么首先检查当前节点的前驱节点的waitStatus是否是<0(即是否是Signal信号),如果是直接返回true 接下来就有机会执行parkAndCheckInterrupt来park当前线程 //如果当前节点的前驱节点>0(取消状态) 那么查找靠近当前节点之前的第一个节点waitStatus<=0的节点,并将其置为Siganl,然后就可以执行parkAndCheckInterrupt阻塞当前节点的线程 //在unlock->unparkSuccessor(node)的时候 会在释放node的时候查找靠近当前节点最近的waitStatus<=0的节点 并且unpark找到的这个节点,然后这个节点会进入tryAcquire来尝试获得锁。 parkAndCheckInterrupt())//线程进入等待需要,需要其他线程唤醒这个线程以继续执行 interrupted = true;//只要线程在等待过程中被中断过一次就会被记录下来 } } catch (RuntimeException ex) { //acquire失败 取消acquire cancelAcquire(node); throw ex; } } /** * 检查并更新acquire获取失败的结点的状态 * 信号控制的核心 * Checks and updates status for a node that failed to acquire. * Returns true if thread should block. This is the main signal * control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev * * @param pred node's predecessor holding status * @param node the node * @return {@code true} if thread should block */ private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int s = pred.waitStatus; if (s < 0) /* * 这个结点已经设置状态要求对他释放一个信号 所以他是安全的等待 * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park */ return true; if (s > 0) { /* * 前驱结点被取消 跳过前驱结点 并尝试重试 知道找到一个未取消的前驱结点 * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else /* * 前驱结点的状态为0时表示为新建的 需要设置成SIGNAL(-1) * 声明我们需要一个信号但是暂时还不park 调用者将需要重试保证它在parking之前不被acquire * Indicate that we need a signal, but don't park yet. Caller * will need to retry to make sure it cannot acquire before * parking. */ compareAndSetWaitStatus(pred, 0, Node.SIGNAL); return false; } /** * park当前线程方便的方法 并且然后会检查当前线程是否中断 * * @return {@code true} if interrupted */ private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }
添加结点到等待队列
首先构建一个准备入队列的结点,如果当前队列不为空,则将mode的前驱指向tail(只是指定当前结点的前驱结点,这样下面的操作一即使失败了 也不会影响整个队列的现有连接关系),compareAndSetTail成功将mode设置为tail结点,则将原先的tail结点的后继节点指向mode。如果队列为空亦或者compareAndSetTail操作失败,没关系我们还有enq(node)为我们把关。
/** *通过给定的线程和模式 创建结点和结点入队列操作 * * @param current the thread 当前线程 * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared 独占和共享模式 * @return the new node */ private Node addWaiter(Node mode) { Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred;//只是指定当前结点的前驱结点,这样下面的操作一即使失败了 也不会影响整个队列的现有连接关系 if (compareAndSetTail(pred, node)) {//原子地设置node为tail结点 CAS操作 操作一 pred.next = node; return node; } } enq(node);//操作一失败时 这里会重复检查亡羊补牢一下 官方说法 double-check return node; } /** * 将结点插入队列 必要时进行初始化操作 * @param node 带插入结点 * @return node's predecessor 返回当前结点的前驱结点 */ private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize 当前队列为空 进行初始化操作 Node h = new Node(); // Dummy header 傀儡头结点 h.next = node; node.prev = h; if (compareAndSetHead(h)) {//原子地设置头结点 tail = node;//头尾同一结点 return h; } } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) {//原子地设置tail结点 上面操作一的增强操作 t.next = node; return t; } } } }
acquire 取消结点
取消结点操作:首先会判断结点是否为null,若不为空,while循环查找距离当前结点最近的非取消前驱结点PN(方便GC处理取消的结点),然后取出这个前驱的后继结点指向,利用它来感知其他的取消或信号操作(例如 compareAndSetNext(pred, predNext, null)) 然后将当前结点的状态Status设置为CANCELLED
-
当前结点如果是尾结点,就删除当前结点,将找到的非取消前驱结点PN设置为tail,并原子地将其后继指向为null
-
当前结点存在后继结点SN,如果前驱结点需要signal,则将PN的后继指向SN;否则将通过unparkSuccessor(node);唤醒后继结点
/** * 取消一个将要尝试acquire的结点 * * @param node the node */ private void cancelAcquire(Node node) { // 如果结点不存在就直接返回 if (node == null) return; node.thread = null; // 跳过取消的结点 while循环直到找到一个未取消的结点 Node pred = node.prev; while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; //前面的操作导致前驱结点发送变化 但是pred的后继结点还是没有变化 Node predNext = pred.next;//通过predNext来感知其他的取消或信号操作 例如 compareAndSetNext(pred, predNext, null) //这里用无条件的写来代替CAS操作 node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 如果当前node是tail结点 就删除当前结点 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null);//原子地将node结点之前的第一个非取消结点设置为tail结点 并将其后继指向null } else { // 如果前驱不是头结点 并且前驱的状态为SIGNAL(或前驱需要signal) if (pred != head && (pred.waitStatus == Node.SIGNAL || compareAndSetWaitStatus(pred, 0, Node.SIGNAL)) && pred.thread != null) { //如果node存在后继结点 将node的前驱结点的后继指向node的后继 Node next = node.next; if (next != null && next.waitStatus <= 0) compareAndSetNext(pred, predNext, next);//原子地将pred的后继指向node的后继 } else { //node没有需要signal的前驱,通知后继结点 unparkSuccessor(node); } node.next = node; // help GC } }}
唤醒后继结点 unparkSuccessor
唤醒后继结点操作:首先会尝试清除当前结点的预期信号,这里即使操作失败亦或是信号已经被其他等待线程改变 都不影响
然后查找当前线程最近的一个非取消结点 并唤醒它
/** * 如果存在后继结点 就唤醒它 * * @param node the node */ private void unparkSuccessor(Node node) { /* * 尝试清除预期信号 如果操作失败或该状态被其他等待线程改变 也没关系 */ compareAndSetWaitStatus(node, Node.SIGNAL, 0); /* * 准备unpark的线程在后继结点里持有(通常就是下一个结点) * 但如果被取消或为空 那么就从tail向后开始遍历查找实际的非取消后继结点 */ Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t;//找到一个后并不跳出for循环 为了找到一个距离node最近的非取消后继结点 } if (s != null)//结点不为空 唤醒后继的等待线程 LockSupport.unpark(s.thread); }
回过头来总结一下:
当我们调用acquire(int)时,会首先通过tryAcquire尝试获取锁,一般都是留给子类实现(例如ReetrantLock$FairSync中的实现)
/** * tryAcquire的公平版本 * Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless * recursive call or no waiters or is first. */ protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (isFirst(current) && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; }
如果tryAcquire(int)返回为false,则说明没有获得到锁。 则!tryAcquire(int)为true,接着会继续调用acquireQueued(final Node node ,int arg)方法,当然这调用这个方法之前,我们需要将当前包装成Node加入到队列中(即调用addWaiter(Node mode))。
在acquireQueued()方法体中,我们会发现一个死循环,唯一跳出死循环的途径是 直到找到一个(条件1)node的前驱是傀儡head结点并且子类的tryAcquire()返回true,那么就将当前结点设置为head结点并返回结点对于线程的中断状态。如果(条件1)不成立,则执行shouldParkAfterFailuredAcquire()
在shouldParkAfterFailuredAcquire(Node pred,Node node)方法体中,
首先会判断node结点的前驱结点pred的waitStatus的值:
* 如果waitStatus>0,表明pred处于取消状态(CANCELLED)则从队列中移除pred。
* 如果waitStatus<0,表明线程需要park住
* 如果waitStatus=0,表明这是一个新建结点,需要设置成SIGNAL(-1),在下一次循环中如果不能获得锁就需要park住线程,parkAndCheckInterrupt()就是执行了park()方法来park线程并返回线程中断状态。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); }
如果中间抛出RuntimeException异常,则会调用cancelAcquire(Node)方法取消获取。取消其实也很简单,首先判断node是否为空,如果不为空,找到node最近的非取消前驱结点PN,并将node的status设置为CANCELLED;
* 倘若node为tail,将node移除并将PN结点设置为tail PN的后继指向null
* 倘若node存在后继结点SN,如果前驱结点PN需要signal,则将PN后继指向SN 否则调用unparkSuccessor(Node)唤醒后继SN
* 倘若node存在后继结点SN,如果当前节点的前驱节点是head节点 或者当前节点前驱节点waitStatus=Signal 则调用unparkSuccessor(Node)唤醒当前节点后继最近的waitStatus<=0的节点
AcquireShared共享锁
/** * 以共享模式获取Acquire 对中断不敏感 * 通过多次调用tryAcquireShared方法来实现 成功时返回 * 否则线程加入Sync队列 可能重复进行阻塞和释放阻塞 调用tryAcquireShared知道成功 * * @param arg the acquire argument. This value is conveyed to * {@link #tryAcquireShared} but is otherwise uninterpreted * and can represent anything you like. */ public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); } /** * 以共享不可中断模式获取Acquire * Acquires in shared uninterruptible mode. * @param arg the acquire argument */ private void doAcquireShared(int arg) { final Node node = addWaiter(Node.SHARED); try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head) { int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC if (interrupted) selfInterrupt(); return; } } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } catch (RuntimeException ex) { cancelAcquire(node); throw ex; } } /** * Sets head of queue, and checks if successor may be waiting * in shared mode, if so propagating if propagate > 0. * * @param pred the node holding waitStatus for node * @param node the node * @param propagate the return value from a tryAcquireShared */ private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { setHead(node);//队列向后移一位 if (propagate > 0 && node.waitStatus != 0) {//propagate>0表明共享数值大于前面要求的数值 /* * Don't bother fully figuring out successor. If it * looks null, call unparkSuccessor anyway to be safe. */ Node s = node.next; if (s == null || s.isShared())//如果剩下只有一个node或者node.next是共享的 需要park住该线程 unparkSuccessor(node); } }
条件Condition
Condition是服务单个Lock,condition.await()等方法在Lock上形成一个condition等待队列
condition.signal()方法在Lock上面处理condition等待队列然后将队列中的node加入到AQS的阻塞队列中等待对应的线程被unpark
/** * 实现可中断的条件等待 * <ol> * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException * <li> Save lock state returned by {@link #getState} * <li> Invoke {@link #release} with * saved state as argument, throwing * IllegalMonitorStateException if it fails. * <li> Block until signalled or interrupted * <li> Reacquire by invoking specialized version of * {@link #acquire} with saved state as argument. * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw exception * </ol> */ public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter();//加入到condition的对用lock的私有队列中,与AQS阻塞队列形成相似 //释放这个condition对应的lock的锁 因为若这个await方法阻塞住而lock没有释放锁 //那么对于其他线程的node来说肯定是阻塞住的 //因为condition对应的lock获得了锁,肯定在AQS的header处,其他线程肯定是得不到锁阻塞在那里,这样两边都阻塞的话就死锁了 //故这里需要释放对应的lock锁 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) {//判断condition是否已经转化成AQS阻塞队列中的一个结点 如果没有park这个线程 LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } //这一步需要signal()或signalAll()方法的执行 说明这个线程已经被unpark 然后运行直到acquireQueued尝试再次获得锁 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }
网上找到的一个帮助理解Condition的gif图
这个AQS存在两中链表
* 一种链表是AQS sync链表队列,可称为 横向链表
* 一种链表是Condition的wait Node链表,相对于AQS sync是结点的一个纵向链表
当纵向链表被signal通知后 会进入对应的Sync进行排队处理
/** * Moves the longest-waiting thread, if one exists, from the * wait queue for this condition to the wait queue for the * owning lock. * * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively} * returns {@code false} */ public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); } /** * Removes and transfers nodes until hit non-cancelled one or * null. Split out from signal in part to encourage compilers * to inline the case of no waiters. * @param first (non-null) the first node on condition queue */ private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)//将旧的头结点移出 让下一个结点顶替上来 lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) &&//将旧的头结点加入到AQS的等待队列中 (first = firstWaiter) != null); } /** * Transfers a node from a condition queue onto sync queue. * Returns true if successful. * @param node the node * @return true if successfully transferred (else the node was * cancelled before signal). */ final boolean transferForSignal(Node node) { /* * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled. */ if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; /* * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong). */ Node p = enq(node);//进入AQS的阻塞队列 int c = p.waitStatus; //该结点点的状态CANCELLED或者修改状态失败 就直接唤醒该结点内的线程 //PS 正常情况下 这里是不会为true的故不会在这里唤醒该线程 //只有发送signal信号的线程 调用了reentrantLock.unlock方法后(该线程已经加入到了AQS等待队列)才会被唤醒。 if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
转眼之间,2014已经与我渐行渐远 2015要开启源码研究之旅、fighting
2014年12月31日 夜
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