AQS 原理解读
【摘要】 概述全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架特点： 用 state 属性来表示资源的状态（分独占模式和共享模式），子类需要定义如何维护这个状态，控制如何获取 锁和释放锁getState - 获取 state 状态setState - 设置 state 状态compareAndSetState - cas 机制设置 state 状态独...
概述
全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架
特点： 用 state 属性来表示资源的状态（分独占模式和共享模式），子类需要定义如何维护这个状态，控制如何获取 锁和释放锁
- getState - 获取 state 状态
- setState - 设置 state 状态
- compareAndSetState - cas 机制设置 state 状态
独占模式是只有一个线程能够访问资源，而共享模式可以允许多个线程访问资源 提供了基于 FIFO 的等待队列，类似于 Monitor 的 EntryList
条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于 Monitor 的 WaitSet
子类主要实现这样一些方法（默认抛出 UnsupportedOperationException）
- tryAcquire(int arg):独占获取同步状态，获取同步状态成功后，其他线程需要等待该线程释放同步状态才能获取同步状态。
- tryRelease(int arg) 独占式释放同步状态
- tryAcquireShared(int arg) 共享式获取同步状态，返回值大于等于0则表示获取成功，否则获取失败。
- tryReleaseShared(int arg) 共享式释放同步状态。
- isHeldExclusively:当前同步器是否在独占模式下被线程占用，一般该方法表示同步器是否被当前线程独占
获取锁的姿势
// 如果获取锁失败
if (!tryAcquire(arg)) {
// 入队, 可以选择阻塞当前线程 park unpark
}
释放锁的姿势
// 如果释放锁成功
if (tryRelease(arg)) {
// 让阻塞线程恢复运行
}手写不可重入锁
自定义同步器
final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
if (acquires == 1) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int acquires) {
if (acquires == 1) {
if (getState() == 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
return false;
}
protected Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
}自定义锁
class MyLock implements Lock {
static MySync sync = new MySync();
@Override
// 尝试，不成功，进入等待队列
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
// 尝试，不成功，进入等待队列，可打断
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
// 尝试一次，不成功返回，不进入队列
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
// 尝试，不成功，进入等待队列，有时限
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
// 释放锁
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
// 生成条件变量
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}测试
MyLock lock = new MyLock();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking...");
sleep(1);
} finally {
log.debug("unlocking...");
lock.unlock();
}
},"t1").start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
log.debug("locking...");
} finally {
log.debug("unlocking...");
lock.unlock();
}
},"t2").start();输出
22:29:28.727 c.TestAqs [t1] - locking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t1] - unlocking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t2] - locking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t2] - unlocking...
不可重入测试
如果改为下面代码，会发现自己也会被挡住（只会打印一次 locking）
lock.lock();
log.debug("locking...");
lock.lock();
log.debug("locking...");具体
起源
早期程序员会自己通过一种同步器去实现另一种相近的同步器，例如用可重入锁去实现信号量，或反之。这显然不够优雅，于是在 JSR166（java 规范提案）中创建了 AQS，提供了这种通用的同步器机制。
目标
AQS 要实现的功能目标
- 阻塞版本获取锁 acquire 和非阻塞的版本尝试获取锁 tryAcquire
- 获取锁超时机制
- 通过打断取消机制
- 独占机制及共享机制
- 条件不满足时的等待机制
要实现的性能目标
Instead, the primary performance goal here is scalability: to predictably maintain efficiency even, orespecially, when synchronizers are contended.
设计
AQS 的基本思想其实很简单
获取锁的逻辑
while(state 状态不允许获取) {
if(队列中还没有此线程) {
入队并阻塞
}
}
当前线程出队释放锁的逻辑
if(state 状态允许了) {
恢复阻塞的线程(s)
}
要点：
原子维护 state 状态
阻塞及恢复线程
维护队列
state 设计
- state 使用 volatile 配合 cas 保证其修改时的原子性
- state 使用了 32bit int 来维护同步状态，因为当时使用 long 在很多平台下测试的结果并不理想
阻塞恢复设计
- 早期的控制线程暂停和恢复的 api 有 suspend 和 resume，但它们是不可用的，因为如果先调用的 resume那么 suspend 将感知不到
- 解决方法是使用 park & unpark 来实现线程的暂停和恢复，先 unpark 再 park 也没问题
- park & unpark 是针对线程的，而不是针对同步器的，因此控制粒度更为精细
- park 线程还可以通过 interrupt 打断
队列设计
- 使用了 FIFO 先入先出队列，并不支持优先级队列
- 设计时借鉴了 CLH 队列，它是一种单向无锁队列
队列中有 head 和 tail 两个指针节点，都用 volatile 修饰配合 cas 使用，每个节点有 state 维护节点状态 入队伪代码，只需要考虑 tail 赋值的原子性，
do {
// 原来的 tail
Node prev = tail;
// 用 cas 在原来 tail 的基础上改为 node
} while(tail.compareAndSet(prev, node))
出队伪代码
// prev 是上一个节点
while((Node prev=node.prev).state != 唤醒状态) {
}
// 设置头节点
head = node;
为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点
每个节点都必须设置前置节点的 ws 状态为 SIGNAL（-1），因为每个节点在休眠前，都需要将前置节点的 ws 设置成 SIGNAL。否则自己永远无法被唤醒，所以必须要一个前置节点，而这个前置节点，实际上就是当前持有锁的节点。
由于第一个节点他是没有前置节点的，就创建一个假的。
总结下来就是：每个节点都需要设置前置节点的 ws 状态（这个状态为是为了保证数据一致性），而第一个节点是没有前置节点的，所以需要创建一个虚拟节点。
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