深入浅出 Java 同步器

前言

在 java.util.concurrent.locks 包中有很多Lock的实现类,常用的有ReentrantLock、ReadWriteLock(实现类ReentrantReadWriteLock),内部实现都依赖AbstractQueuedSynchronizer类,接下去让我们看看Doug Lea大神是如何使用一个普通类就完成了代码块的并发访问控制。为了方便,本文中使用AQS代替AbstractQueuedSynchronizer。

定义

队列同步器AQS是用来构建锁或其他同步组件的基础框架,内部使用一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,其中内部状态state,等待队列的头节点head和尾节点head,都是通过volatile修饰,保证了多线程之间的可见。

在深入实现原理之前,我们先看看内部的FIFO队列是如何实现的。

先来一张形象的图(该图其实是网上找的)

FIFO.png

黄色节点是默认head节点,其实是一个空节点,我觉得可以理解成代表当前持有锁的线程,每当有线程竞争失败,都是插入到队列的尾节点,tail节点始终指向队列中的最后一个元素。

每个节点中, 除了存储了当前线程,前后节点的引用以外,还有一个waitStatus变量,用于描述节点当前的状态。多线程并发执行时,队列中会有多个节点存在,这个waitStatus其实代表对应线程的状态:有的线程可能获取锁因为某些原因放弃竞争;有的线程在等待满足条件,满足之后才能执行等等。一共有4中状态:

  1. CANCELLED 取消状态
  2. SIGNAL 等待触发状态
  3. CONDITION 等待条件状态
  4. PROPAGATE 状态需要向后传播

等待队列是FIFO先进先出,只有前一个节点的状态为SIGNAL时,当前节点的线程才能被挂起。

实现原理

子类重写tryAcquire和tryRelease方法通过CAS指令修改状态变量state。

线程获取锁过程

下列步骤中线程A和B进行竞争。

  1. 线程A执行CAS执行成功,state值被修改并返回true,线程A继续执行。
  2. 线程A执行CAS指令失败,说明线程B也在执行CAS指令且成功,这种情况下线程A会执行步骤3。
  3. 生成新Node节点node,并通过CAS指令插入到等待队列的队尾(同一时刻可能会有多个Node节点插入到等待队列中),如果tail节点为空,则将head节点指向一个空节点(代表线程B),具体实现如下:
  4. node插入到队尾后,该线程不会立马挂起,会进行自旋操作。因为在node的插入过程,线程B(即之前没有阻塞的线程)可能已经执行完成,所以要判断该node的前一个节点pred是否为head节点(代表线程B),如果pred == head,表明当前节点是队列中第一个“有效的”节点,因此再次尝试tryAcquire获取锁,
    1、如果成功获取到锁,表明线程B已经执行完成,线程A不需要挂起。
    2、如果获取失败,表示线程B还未完成,至少还未修改state值。进行步骤5。
  5. 前面我们已经说过只有前一个节点pred的线程状态为SIGNAL时,当前节点的线程才能被挂起。
    1、如果pred的waitStatus == 0,则通过CAS指令修改waitStatus为Node.SIGNAL。
    2、如果pred的waitStatus > 0,表明pred的线程状态CANCELLED,需从队列中删除。
    3、如果pred的waitStatus为Node.SIGNAL,则通过LockSupport.park()方法把线程A挂起,并等待被唤醒,被唤醒后进入步骤6。
    具体实现如下:
  6. 线程每次被唤醒时,都要进行中断检测,如果发现当前线程被中断,那么抛出InterruptedException并退出循环。从无限循环的代码可以看出,并不是被唤醒的线程一定能获得锁,必须调用tryAccquire重新竞争,因为锁是非公平的,有可能被新加入的线程获得,从而导致刚被唤醒的线程再次被阻塞,这个细节充分体现了“非公平”的精髓。

线程释放锁过程:
  1. 如果头结点head的waitStatus值为-1,则用CAS指令重置为0;
  2. 找到waitStatus值小于0的节点s,通过LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程。

    总结

    Doug Lea大神的思路跳跃的太快,把CAS指令玩的出神入化,以至于有些逻辑反反复复debug很多次才明白。

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关于作者:占小狼

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