04队列同步器(Java并发编程的艺术)

1.定义

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer,简称AQS,是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架,是java.util.concurrent中基础。AQS使用一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源线程的排队工作。

2.实现分析

2.1 同步队列

AQS依赖内部的同步队列(FIFO双向队列)来完成同步状态管理,当前线程获取同步状态失败时,同步队列会将当前线程以及等待状态信息构成一个节点并加入到同步队列,同步会阻塞当前的线程,当同步释放的时候,会把首节点的线程唤醒,使其再次尝试获取同步状态。

同步队列中重要属性及描述:

(1)int waitStatus 等待状态

-CANCELLED,取消状态,值为1,由于同步队列中等待的线程等待超时或者被中断,需要从同步队列中取消等待,节点进入该状态将不会变化

-SIGNAL,通知状态,值为-1,后继节点的线程处于等待状态,而当前节点的线程如果释放了同步状态或被取消,将会通知后继节点,使得后继节点得以运行

-CONDTION,条件阻塞状态,值为-2,节点在等待队列中,节点线程等待在COndition上,当其他线程对Condition调用了signal()方法后,该节点将会从等待队列中转移到同步队列加入到对同步状态的获取中

-PROPAGATE,传播状态,值为-3,表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去

-INITIAL,值为0,初始状态

节点是构成同步队列的基础,同步器拥有首节点、尾节点,没有成功获取同步状态的线程会加入到该队列的尾部,同步队列的基本结构如下所示:

同步队列基本结构

同步队列包括了两个节点的引用,一个指向头结点,一个指向尾节点。独占模式下,当一个线程成功获取同步状态,其他线程将无法获取同步状态,将会被构造成节点加入到同步队列的尾部,加入的过程使用CAS,保证线程安全。

节点加入同步队列

同步队列遵循FIFO,首节点是获取同步状态成功的节点,首节点的线程在释放同步状态时,会唤醒后继节点,而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置成首节点。

首节点设置

2.2 独占式同步状态的获取和释放

通过调用同步器的acquire(int args)方法可以获取同步状态,该方法对中断不敏感。

首先调用自定义同步器实现的tryAcquire(int args)方法,该方法保证线程安全的获取同步状态,如果获取失败,则构造同步节点(独占式节点,EXCLUSIVE,同一时刻只能有一个线程成功获取同步状态)并通过addWaiter(Node node)方法将该节点加入到同步队列的尾部,最后调用acquireQueued(Node node, int args)方法,使得该节点以“死循环”的方式获取同步状态。如果获取不到则阻塞节点中的线程,而被阻塞线程的唤醒主要依赖前驱节点的出队或阻塞线程被中断来实现。

上述的代码中,主要通过compareAndSetTail(Node expect, Node update)方法保证节点能够被线程安全添加到尾节点。enq(final Node node)方法中,同步器通过“死循环”的方式保证节点能够添加到尾节点。

acquireQueued(final Node node, int arg)方法中,当前线程在“死循环”中获取尝试获取同步状态,但是只有头节点才能尝试获取同步状态。


独占式同步状态获取流程

release(int arg)方法执行时,会唤醒头节点的后续节点线程,unparkSuccessor(Node node)方法使用LockSupport来唤醒处于等待的状态的线程。

2.3 共享式同步状态的获取和释放

共享式获取与独占式获取最主要的区别是在于同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。cquireShared(int arg)方法可以以共享式地获取同步状态。


在acquireShared(int arg)方法中,同步器调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态,其返回值大于等于0时,表示获取同步状态成功;否则,反之。在doAcquireShared(int arg)方法中,如果当前节点的前驱为头节点,尝试获取同步状态,如果返回值大于等于0,表示该线程获取到同步状态成功并退出自旋。释放同步状态与独占式类似,releaseShared(int arg)方法在释放同步状态之后,将会唤醒后续处于等待状态的节点。

2.4 独占式超时获取同步状态

通过调用同步器的doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)方法可以支持超时获取同步状态,即在指定的时间段内获取同步状态,如果获取到同步状态则返回true,否则,返回false。该方法还支持响应中断。

该方法在自旋的过程中,当前节点的前驱节点为头节点时尝试获取同步状态,如果获取成功,则直接返回,这个过程和独占式同步获取过程类似,但是获取失败的处理流程不同。如果获取失败,则判断当前时间是否超过该接口设置的超时时间,若没有超时,且超时时间大于1000ns,则重新计算超时间隔nanosTimeout,然后使当前线程等待nanosTimeout纳秒。另外需要判断当前线程状态是否是中断状态,若是,直接抛出中断异常,否则继续自旋。


独占式超时获取同步状态流程
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