Java多线程（七）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，只有当状态满足 xxxx 条件，才能触发线程执行 xxxx 。

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。

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

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，的基本方法里依赖的 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时有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. 其他线程调用以被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

 

AQS虽然实现了acquire，和release方法，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的。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时有AQS框架来实现

 

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

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