AQS
AbstractQueuedSynchronizer
的简称,即抽象的队列同步器
Categories:
AQS是AbstractQueuedSynchronizer
的简称,即抽象的队列同步器
- 抽象:抽象类,只实现一些主要逻辑,有些方法由子类实现;
- 队列:使用先进先出(FIFO)的队列存储数据;
- 同步:实现了同步的功能。
为什么需要 AQS
AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架,使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的同步器 简单的说, 存储并管理线程同步的模板
具体的同步器(如 ReentrantLock
、CountDownLatch
、Semaphore
, FutureTask等)是通过继承 AQS
并实现一些抽象方法来实现资源的具体获取和释放行为的。
AQS
的作用是什么?
了解 自旋锁与CLH锁
AQS
是一个 抽象类,它为具体的同步器提供了一个通用的执行框架。
它定义了如何获取和释放共享资源的基本流程,但并没有实现具体的逻辑。
AQS
提供了同步器所需要的 框架和基础设施,比如:
- 如何在多个线程间协调资源的竞争。
- 如何管理线程的队列(阻塞队列)以等待资源。
其中AQS 的核心数据结构是基于CLH 锁改进的, 详情下述
- 线程的挂起与唤醒等机制。
AQS的数据结构
既然是控制线程, 那么数据结构应对并发相应的优化
AQS的核心数据结构是基于 CLH队列锁改进的
CLH队列锁有如下缺点
- 仍然基于自旋, 长时间自旋下CPU占用高
- 功能单一, 不能挂起, 不能共享读, 只支持独占等 针对以上缺点, AQS进行改造
- AQS 将自旋操作改为阻塞线程操作。
- AQS 对 CLH 锁进行改造和扩展, 扩展每个节点的状态、显式的维护前驱节点和后继节点
AQS 内部使用了一个volatile关键字 的变量 state
来作为线程的状态标识。
volatile int waitStatus;
该变量有如下状态, AQS提供原子读写 ![[content/en/java/Basic/Concurrent/Pasted image 20250203210552.png]]
- CANCELLED:表示当前节点(对应的线程)已被取消。当等待超时或被中断,会触发进入为此状态,进入该状态后节点状态不再变化;
- SIGNAL:后面节点等待当前节点唤醒;
- CONDITION:当前线程阻塞在Condition,如果其他线程调用了Condition的signal方法,这个节点将从等待队列转移到同步队列队尾,等待获取同步锁;
- PROPAGATE:共享模式,前置节点唤醒后面节点后,唤醒操作无条件传播下去;
- 0:中间状态,当前节点后面的节点已经唤醒,但是当前节点线程还没有执行完成。
状态多了不少, 但是AQS为了优化, 抛弃了自旋设计,这导致线程被阻塞时没办法获取前驱节点的状态
所以AQS显式维护前后节点, 在锁释放时主动通知后继线程解除阻塞
(T1 释放锁后主动唤醒 T2,使 T2 检测到锁已释放,获取锁成功。)
在释放锁时,如果当前节点的后驱节点不可用时,将从利用队尾指针 Tail 从尾部遍历到直到找到当前节点正确的后驱节点。 这是因为双端队列的插入没有相应的原子操作, 因此后驱节点的设置并非作为原子性插入操作的一部分,而仅是在节点被插入后简单地赋值
AQS还实现了共享读 资源有两种共享模式,或者说两种同步方式:
-
独占模式(Exclusive):资源是独占的,一次只能有一个线程获取。如 ReentrantLock重入锁 _index
-
共享模式(Share):同时可以被多个线程获取,具体的资源个数可以通过参数指定。如 Semaphore/CountDownLatch
这两种模式是在内部类 Node
中实现的
Node源码
可以看到 node中的状态信息都是常量, 无法修改的
static final class Node {
// 标记一个结点(对应的线程)在共享模式下等待
static final Node SHARED = new Node();
// 标记一个结点(对应的线程)在独占模式下等待
static final Node EXCLUSIVE = null;
// waitStatus的值,表示该结点(对应的线程)已被取消
static final int CANCELLED = 1;
// waitStatus的值,表示后继结点(对应的线程)需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
// waitStatus的值,表示该结点(对应的线程)在等待某一条件
static final int CONDITION = -2;
/*waitStatus的值,表示有资源可用,新head结点需要继续唤醒后继结点(共享模式下,多线程并发释放资源,而head唤醒其后继结点后,需要把多出来的资源留给后面的结点;设置新的head结点时,会继续唤醒其后继结点)*/
static final int PROPAGATE = -3;
// 等待状态,取值范围,-3,-2,-1,0,1
volatile int waitStatus;
volatile Node prev; // 前驱结点
volatile Node next; // 后继结点
volatile Thread thread; // 结点对应的线程
Node nextWaiter; // 等待队列里下一个等待条件的结点
// 判断共享模式的方法
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
// 其它方法忽略,可以参考具体的源码
}
// AQS里面的addWaiter私有方法
private Node addWaiter(Node mode) {
// 使用了Node的这个构造函数
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 其它代码省略
}
AQS源码解析
AQS 的设计是基于模板方法的,它有一些方法必须要子类实现,它们主要有:
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。
比较特殊的是, 这里的抽象方法并没有加
abstract
关键字 这是因为并非AQS的所有抽象方法都需要子类实现, 所以子类只重写需要的方法就行
子类不是重点, 我们来看模板类, 也就是AQS的逻辑
获取资源
获取资源的入口是 acquire(int arg)
方法。arg 是要获取的资源个数,在独占模式下始终为 1。我们先来看看这个方法的逻辑:
public final void accquire(int arg) {
// tryAcquire 再次尝试获取锁资源,如果尝试成功,返回true,尝试失败返回false
if (!tryAcquire(arg) &&
// 走到这,代表获取锁资源失败,需要将当前线程封装成一个Node,追加到AQS的队列中
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 线程中断
selfInterrupt();
}
首先调用 tryAcquire
尝试去获取资源。如果获取资源失败,就通过 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
方法把这个线程插入到等待队列中。其中传入的参数代表要插入的 Node 是独占式的。
private Node addWaiter(Node mode) {
//创建 Node 类,并且设置 thread 为当前线程,设置为排它锁
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取 AQS 中队列的尾部节点
Node pred = tail;
// 如果 tail == null,说明是空队列,
// 不为 null,说明现在队列中有数据,
if (pred != null) {
// 将当前节点的 prev 指向刚才的尾部节点,那么当前节点应该设置为尾部节点
node.prev = pred;
// CAS 将 tail 节点设置为当前节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 将之前尾节点的 next 设置为当前节点
pred.next = node;
// 返回当前节点
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
// 自旋CAS插入等待队列
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
在队列的尾部插入新的 Node 节点,但是需要注意的是由于 AQS 中会存在多个线程同时争夺资源的情况,因此肯定会出现多个线程同时插入节点的操作,在这里是通过 CAS 自旋的方式保证了操作的线程安全性。
释放资源
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 如果状态是负数,尝试把它设置为0
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 得到头结点的后继结点head.next
Node s = node.next;
// 如果这个后继结点为空或者状态大于0
// 通过前面的定义我们知道,大于0只有一种可能,就是这个结点已被取消(只有 Node.CANCELLED(=1) 这一种状态大于0)
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从尾部开始倒着寻找第一个还未取消的节点(真正的后继者)
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 如果后继结点不为空,
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
如果tryRelease(arg)
成功释放了锁,那么接下来会检查队列的头结点。如果头结点存在并且waitStatus不为0(这意味着有线程在等待),那么会调用unparkSuccessor(Node h)
方法来唤醒等待的线程。