基于ReentrantLock详解AQS源码
- AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer,它的定位是为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架。
- AQS是基于FIFO的队列实现的,并且内部维护了一个状态变量state,通过原子更新这个状态变量state即可以实现加锁解锁操作。
AQS成员变量:
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
static final class Node {
// 共享模式
static final Node SHARED = new Node();
// 独占模式
static final Node EXCLUSIVE = null;
// 标识线程已经取消
static final int CANCELLED = 1;
// 标识线程需要去unparking它的后继节点
static final int SIGNAL = -1;
// 标识线程等待在一个条件上
static final int CONDITION = -2;
// 标识后面的共享锁需要无条件的传播(共享锁需要连续唤醒读的线程)
static final int PROPAGATE = -3;
// 当前节点保存的线程对应的等待状态(node状态可选值:0,SIGNAL,CANCELLED,CONDITION,PROPAGATE)
// waitStatus == 0 默认状态
// waitStatus > 0 取消状态
// waitStatus == -1 表示当前node如果是head节点时,释放锁之后需要唤醒它的后继节点
volatile int waitStatus;
// 指向前驱节点
volatile Node prev;
// 指向后继节点
volatile Node next;
// 封装当前Node的线程,排队的线程
volatile Thread thread;
// 下一个等待在条件上的节点(Condition锁时使用)
Node nextWaiter;
// 当前节点是否是共享模式
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
// 返回前驱节点
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
// 队列的头节点: 任何时刻,头结点对应的线程就是当前持锁线程~
private transient volatile Node head;
// 队列的尾节点:(阻塞队列不包含头结点head,是从head.next 开始,到 tail 结束,这个区间是阻塞队列)~
private transient volatile Node tail;
// 控制加锁解锁的状态变量
// 独占模式下:0 表示未加锁状态, >0 表示已加锁状态
private volatile int state;
// 独占模式下:表示当前持有锁的线程~
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
}
一、公平锁实现FairSync:
加锁:
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
final void lock() {
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
//条件1:线程去尝试获取锁,获取成功则返回true,获取失败则返回false
//条件2:
// 条件2.1:addWaiter方法,将当前线程封装成node入队,并且返回当前入队的节点
// 条件2.2:入队后调用 acquireQueued方法 (该方法包含挂起当前线程、以及线程唤醒后相关的逻辑)
// (令当前线程不断去竞争资源,直到成功获取锁才停止自旋)
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)){
// 中断当前线程
selfInterrupt();
}
}
// 尝试获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取竞态变量的值
int c = getState();
// c==0,表示AQS处于无锁状态
if (c == 0) {
// 条件1:hasQueuedPredecessors(),判断队列中是否有等待的线程,这里是公平锁才要判断,如果是非公平锁没有这段逻辑
// true:有等待的线程
// false:没有等待的线程
// 条件2:表示当前队列没有等待的线程,当前线程进行cas尝试获取锁,如果case设置state=1成功,说明获取到锁
// 公平锁这里尝试获取锁,仅有队列为空或者队列中第一个节点是自己才进行锁的争抢,否则就要排队了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 条件1和条件2成立,说明当前线程获取到了锁,设置当前线程为锁的持有者
setExclusiveOwnerThread(current);
// 返回true,说明获取到了锁
return true;
}
}
// getExclusiveOwnerThread:返回当前持有锁的线程
// 当前线程是持有锁的线程,说明可重入了
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// c + acquires:重入次数+1
int nextc = c + acquires;
// 防止无限可重入导致nextc超过int的最大值,所以抛出异常
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 设置state值
setState(nextc);
// 返回true:表示当前线程获取到了锁
return true;
}
// 返回false,说明当前线程没有获取到锁
return false;
}
// 判断队列中是否有等待的线程
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail;
Node h = head;
Node s;
// 条件1:如果h==t:表示队列为空,返回false,没有线程等待
// 条件2:如果h.next != null && s.thead == Thread.currentThread():表示队列不为空,当前线程是队列中等待的第一个节点
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
// 将当前节点加入等待队列
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创建一个Node节点,传入当前线程和模式,这里是独占模式
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取尾节点
Node pred = tail;
// 如果尾节点不为空,说明队列已经存在节点,则尝试将当前节点链接到队尾,链接成功则返回当前节点
if (pred != null) {
// 设置当前节点的前驱为尾节点
node.prev = pred;
// cas设置新的尾节点为node
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 如果设置新的尾节点成功,则将旧的尾节点的后继指向新的尾节点,形成双向链表,此时当前节点加入队列成功
pred.next = node;
// 返回当前节点
return node;
}
}
// 执行到这里有以下2种情况:
// 1.tail == null 当前队列是空队列
// 2.cas设置当前newNode 为 tail 时失败了,被其他线程抢先一步了
// 自旋入队,只有入队成功才结束自旋:
enq(node);
return node;
}
// 自旋入等待队列
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { //自旋
// 获取尾节点
Node t = tail;
// 如果尾节点为空,说明当前队列是空的
if (t == null) { // Must initialize
// cas初始化head节点,为一个空节点
if (compareAndSetHead(new Node())){
// 初始化成功,则头节点和尾节点相等
tail = head;
}
} else { // 尾节点不为空,说明队列中有线程在等待
// 设置当前节点的前驱为尾节点
node.prev = t;
// cas设置新的尾节点为node
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 如果设置新的尾节点成功,则将旧的尾节点的后继指向新的尾节点,形成双向链表,此时当前节点加入队列成功
t.next = node;
// 返回当前节点
return t;
}
}
}
}
// 抢占锁+挂起线程+线程唤醒之后执行的地方
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// false:表示当前线程抢占锁没有发生异常
// true:表示当前线程抢占锁发生异常,需要将当前节点出队
boolean failed = true;
try {
// 当前线程是否被中断唤醒的,因为执行到parkAndCheckInterrupt时会挂起线程,之后会被别的线程唤醒,做一个标记
boolean interrupted = false;
// 自旋进行锁抢占
for (;;) {
// 获取当前节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 条件1:p == head,即当前节点的前驱节点是否是头节点
// true: 说明当前节点是头节点的第一个后继节点,有资格去争抢锁
// false: 说明当前节点不是头节点的第一个后继节点,还是老老实实排队吧,等有资格再说
// 条件2:tryAcquire(arg),尝试去获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 抢到锁了,则将head指向下一个节点,并把oldHead置空
// node为头节点,清空节点的内容为一个空节点
setHead(node);
// 将旧的头节点的后继设置为null
p.next = null; // help GC
// 当前线程抢占锁成功,没有发生异常
failed = false;
// 当前线程没有被中断 false
return interrupted;
}
// shouldParkAfterFailedAcquire:获取锁失败,需要被挂起
// 第一次进入方法,一般不会挂起,会设置pred.waitStatus=-1,自旋第二次进入就会被挂起
// true:需要被挂起
// false: 不需要挂起
// parkAndCheckInterrupt:挂起当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt()){
// 设置中断状态 true,表示当前线程是被中断信号唤醒的
interrupted = true;
}
}
} finally {
// 抢占锁出现异常,需要将当前节点从队列中移除
if (failed){
cancelAcquire(node);
}
}
}
// 设置头节点,并且置空头节点的线程和前置指针
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
// 判断当前线程是否需要被挂起 true:需要挂起 false:不需要挂起
// pred:前驱节点
// node:当前线程节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// ws==-1:前驱节点释放锁之后回去唤醒下一个节点
if (ws == Node.SIGNAL)
// 挂起当前线程
return true;
// ws>0:表示前驱节点处于取消状态
if (ws > 0) {
// 链表从后往前走,跳过已经取消的节点
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
// 直到遇到ws==0:表示默认状态,然后把pred的后驱指向当前node
// 本次调用,node不需要被挂起,下次重试进来就会被挂起
pred.next = node;
} else {
// 此时ws一定是0,但是不立即挂起它
// cas将pred.waitStatus设置为-1
// 下次重试进来时当前线程会被挂起
// 将当前node节点的前一个节点的waitStatus设置为-1,表示前一个节点释放锁的时候会唤醒当前节点
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
// 不需要被挂起
return false;
}
// 挂起当前线程,并返回当前线程的中断状态
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
// 将node从队列中取消掉
private void cancelAcquire(Node node) {
// 当前node为空,则忽略
if (node == null) return;
// 当前node线程置空
node.thread = null;
// 从后往前找,跳过已经取消的Node节点
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// predNext:表示不是取消节点的下一个节点,即指向第一个取消的节点
Node predNext = pred.next;
// 设置当前节点为已取消状态
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 如果取消的是最后一个节点,则将尾节点cas设置为最后一个未取消的节点,跳过已取消的节点
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
// cas把pred的next节点设置为null
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
// 走到else代表当前节点不是tail节点,或者是cas操作的时候tail发生了变化
// 如果不是tail节点,不能直接把tail节点指向到上面while循环得出的prev节点
int ws;
// 这里是的if代码块,是为了尝试一次,如果不成功再去复杂的处理。
// 这里的if判断条件如下:
// 1.如果上面while循环得到的pred节点不是head节点
// 2.如果上面while循环得到的pred节点为-1,如果不为-1,cas改变成-1也。
// 3.如果上面while循环得到的pred节点的线程指向不为null(如果为null代表在取消的过程中)
// 因为&&是拼接,所以上面任意一个条件为false就会进入到else条件中。
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
// 当前节点的下一个节点如果不为空,且下一个节点的状态为-1,说明node是一个中间节点,需要将node后面的节点链接起来
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
// cas将pred.next与next连接起来
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
// 直接唤醒当前节点的下一个节点。
// 唤醒的目的是为了去执行shouldParkAfterFailedAcquire方法去处理取消节点。
unparkSuccessor(node);
}
// 把当前节点的下一个节点指向自己
node.next = node; // help GC
}
}
// 唤醒当前节点的下一个节点,node为pred前驱节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 将node.waitStatus设置为0
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//s为node节点的下一个节点
Node s = node.next;
// 下一个节点为空或者下一个节点已经取消
// 条件1:s == null
// s 什么时候为null?
// 1.当前节点就是tail节点时,s==null
// 2.当前节点入队未完成时(1.设置新节点的prev指向pred 2.CAS设置新节点为tail 3.(未完成)pred.next -> 新节点)
// 需要找到可以被唤醒的节点...
// 条件2:s.waitStatus > 0 前提是 s == null
// 如果条件2成立,则说明当前node节点的后继节点是取消状态,需要找一个合适的可以被唤醒的节点...
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从队尾往前找,找到离队头最近的第一个正常节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 如果s不为空,说明找到了一个可以唤醒的节点,则进行唤醒
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
释放锁:
lock.unlock();
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁,true:释放锁成功 false:释放锁失败
if (tryRelease(arg)) {
// 判断头节点是否是正常节点,如果head是正常节点则唤醒头节点的下一个节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒操作
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 尝试释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 获取state-1
int c = getState() - releases;
// 不是当前线程释放锁,则报错
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 如果c==0,说明是可重入最后一次释放锁,可以释放锁
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 设置state=0,说明AQS属于无锁状态
setState(c);
return free;
}
至此,ReentrantLock的公平锁实现方式源码已经注释完毕!
二、非公平锁实现NonfairSync:
公平锁的实现,在加锁时,只要队列中有等待的线程,就需要排队进行等待,很公平。
对于非公平锁,在加锁的时候会先执行cas抢占锁的逻辑,此时线程会跟头节点的下一个节点进行抢占锁,体现非公平的表现。
final void lock() {
// 非公平锁加锁直接先cas抢一波,抢不到再进行入队操作
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
// tryAcquire尝试获取锁,非公平锁和公平锁的实现不一样
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
// 非公平锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
// 公平锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
// 差别在于有无hasQueuedPredecessors方法,这是判断队列中是否有等待的线程
// 公平锁需要判断,进行有序排队,而非公平锁不需要排队,直接先抢占一波,抢占不到再入队
三、图解案例:
下面用一幅图来描述三个线程加锁的流程,线程一加锁成功,线程二,三加锁失败挂起入队,然后线程一释放锁,唤醒线程二,然后线程二释放锁,唤醒线程三:
1.线程一抢到锁成功,设置Sate=1,并且设置持有锁线程为线程一
2.线程二加锁失败,由于头节点不存在,所以线程二在入队时会顺便创建头节点,然后再链接到头节点后边,并且设置前一个节点的waitStatus=-1,表示前一个节点释放锁后会唤醒后一个节点,然后挂起线程二:
3.线程三加锁失败,则入队挂起:
4.线程一释放锁,设置头节点的waitStatus=0,然后唤醒下一个节点进行抢占锁,如果线程二抢到了锁:
接着将线程二的节点作为头节点,head指针指向这个节点,并且断开原来的头节点:
5.线程二释放锁,唤醒下一个节点进行抢占锁,线程三抢占到了锁,断开原来头节点,重新设置新的头节点:
6.线程三释放锁,把AQS中的state设置为0,清空持有锁线程,队列中的节点还是存在一个头节点,这个节点的内容都是空的,只要头节点创建出来了就一直存在,持有锁的线程会关联头节点。
7.上述流程可以说是公平锁的抢占方式,每次都是队列头节点的下一个节点抢到锁,严格排队抢锁,如果是非公平锁,则在唤醒head的下一个节点进行抢锁时,其他线程也可以在此期间抢锁,如果被其他线程抢到锁,则head的下一个节点还是会重新挂起,然后新的抢占锁的线程会重新关联head节点。
参考:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/463668014
https://csp1999.blog.csdn.net/article/details/116604866
https://xiaohuang.blog.csdn.net/article/details/130046506
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