AbstractQueuedSynchronizer(AQS)源码解析
关于aqs的源码解析,本来是没有打算特意写一篇文章来介绍的。不过在写本学期课程作业中,有一门写了关于aqs的,而且也画了一些相关的图,所以直接拿过来分享一下,如有错误欢迎指正。
然后基本简介也都不介绍了,网上一大堆,这里就直接进行源码的分析了。
aqs基本属性
aqs属性简介:
属性 | 类型 | 详解 |
---|---|---|
head | node类型 | 持有锁的线程结点,也是队列中的头结点 |
tail | node类型 | 阻塞队列中的尾结点,同时每一个新的结点进来,都插入到阻塞队列的最后。 |
state | int类型 | 大于等于0。代表当前锁的状态。0代表没有线程占用当前锁,大于0代表有线程持有锁。 |
exclusiveownerthread(继承自aos) | thread类型 | 代表独占锁的线程。 |
aqs的具体结构如下图所示:
在aqs链表中,将每一个线程包装成node实例,并通过链表的形式链接保存,在链式结构中,节点通过next和prev分别与前驱节点和后置节点相连接。其中head节点表示为当前持有锁的线程,不在阻塞队列中。tail节点为链表中最后一个节点,当有新的节点被添加到链表中后,aqs会将tail引用指向最后一个被添加进链表的节点。
aqs中node内部类
node属性简介:
字段 | 简介 | 字段 | 简介 |
---|---|---|---|
share | 标识节点当前在共享模式下 | exclusive | 标识节点当前在独占模式下 |
cancelled | 标识当前节点所表示的线程已取消抢锁 | signal | 标识当前节点需要在释放锁后唤醒后继节点 |
condition | 与conditionobject内部类有关 | waitstatue | 取值为以上几种状态 |
prev | 代表当前节点的前驱节点 | next | 代表当前节点的后继节点 |
thread | 代表当前节点所表示的线程 |
1 加锁
这里以一个锁的具体使用方法对aqs类进行详细的分析:
首先,线程先对锁对象进行获取操作,如果当前需要获取的锁对象并没有其他线程所持有,成功获取到了锁,将执行相关的业务代码,执行完毕后,对锁资源进行释放,以便其他线程所使用。如果当前线程获取锁资源失败,说明锁资源有其他线程在使用,当前线程将进行阻塞状态,等待再次获取锁资源。
1.1 aqs中如何获取锁
以java.util.concurrent.locks.reentrantlock.java
文件中的公平锁为例:
abstract static class sync extends abstractqueuedsynchronizer #java.util.concurrent.locks.reentrantlock中第220行 static final class fairsync extends sync { private static final long serialversionuid = -3000897897090466540l; final void lock() { acquire(1); #调用了aqs中的方法 } ... } ================aqs==================== #java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第1197行 public final void acquire(int arg) { if (!tryacquire(arg) && acquirequeued(addwaiter(node.exclusive), arg)) selfinterrupt(); }
在lock()
方法中,线程首先尝试抢锁tryacquire(1)
,如果抢锁成功则直接返回true
,代表当前线程已持有锁资源,否则返回false
,进行下一次抢锁动作。
当线程抢锁失败后,aqs将将当前线程封装成node
节点,并添加到阻塞队列。之后将从阻塞队列中依次取出等待锁的node
节点,并再次尝试获取锁.如果再次获取锁失败,则使当前线程自己中断自己。
1.2 尝试获取锁资源
首先获取锁的状态,判断当前是否有线程持有锁,这里分为两种情况:
-
如果当前并没有线程持有锁资源,则判断阻塞队列中是否有节点排在当前节点的前面等待获取锁资源。这里分为两种情况:
- 如果有其他线程在等待获取锁资源,则进行等待
- 如果没有其他线程在等待获取锁资源,表明当前线程是第一个等待获取锁的线程,随后尝试对锁资源进行获取,如果成功获取到锁资源则将当前线程设置为独占锁的线程,同时返回true.
- 如果当前有线程持有锁,则进行判断是否是当前线程所持有锁资源,这是分为两种情况:
- 锁资源被当前线程所持有,则表明是重入锁,随后将获取锁的次数加一,返回true.
- 持有锁资源并不是当前线程,返回false.
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.reentrantlock中第231行 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; }
1.3 判断阻塞队列中是否有其他节点
在线程获取锁之前,首先判断阻塞队列中是否有其他节点,如果有其他节点则放弃抢锁。
首先获取aqs链表中的头节点与尾节点,分别进行判断:
- 头节点是否等于尾节点
- 如果头节点等于尾节点说明阻塞队列为空,没有其他节点返回false
- 如果头节点不等于尾节点,则判断头节点的后置节点是否为空
- 如果头节点的后置节点不为空,则说明阻塞队列不为空,则判断阻塞队列中第一个节点线程是否为当前线程
- 如果是当前线程说明阻塞队列中没有其他节点返回false。
- 如果不是当前线程说明阻塞队列中有其他节点,返回true.
- 如果头节点的后置节点不为空,则说明阻塞队列不为空,则判断阻塞队列中第一个节点线程是否为当前线程
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第1512行 public final boolean hasqueuedpredecessors() { node t = tail; node h = head; node s; return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != thread.currentthread()); }
1.4 将当前线程添加到阻塞队列
如果当前线程抢锁失败则通过aqs将当前线程包装成node节点添加进阻塞队列。
将当前线程以独占锁的模式包装成node节点。
- 将当前节点添加进阻塞队列。分两种情况:
- 阻塞队列中尾节点不为空。
- 将尾节点置为当前节点的前驱节点,通过cas操作将当前节点置为尾节点。
- 如果成功,则将之前尾结点的后置引用指向当前节点,将当前节点返回。
- 如果存在另一节点提前完成上一步操作,则进行入队操作。
- 将尾节点置为当前节点的前驱节点,通过cas操作将当前节点置为尾节点。
- 阻塞队列中尾节点为空,则进行入队操作。
- 阻塞队列中尾节点不为空。
入队操作结束将当前节点返回。
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第605行 private node addwaiter(node mode) { node node = new node(thread.currentthread(), mode); node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareandsettail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; }
1.5 入队操作
这一步将当前节点添加到阻塞队列中。
首先获取阻塞队列中的尾节点,判断是否为空,有两种情况:
- 阻塞队列中尾节点为空,则初始化阻塞队列,将头节点设置为尾节点,
再次获取尾节点,判断是否为空。 - 阻塞队列中尾节点不为空,则将尾节点设置为当前节点的前驱节点。
通过cas将当前节点设置为尾节点。这里有两种情况:- 如果成功,则将之前尾结点的后置引用指向当前节点,将当前节点的前驱节点返回。
- 存在另一节点提前完成上一步操作,则再次获取阻塞队列中的尾节点,判断是否为空。
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第583行 private node enq(final node node) { for (;;) { node t = tail; if (t == null) { if (compareandsethead(new node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareandsettail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
1.6 抢锁或将线程挂起
到达这一步说明节点已进入阻塞队列,节点尝试获取锁或者进行挂起操作。
- 获取当前节点的前驱节点
- 判断前驱节点是否为头节点,这里有两种情况:
- 前驱节点为头节点,说明当前节点前面没有节点在等待获取锁资源,只需要等待前驱节点释放锁资源。所以可以尝试抢锁,这里有两种情况:
- 抢锁成功,则将当前节点设置为头节点,将当前节点前驱节点的后置引用设置为空,返回false
- 抢锁失败,说明头节点还没有释放锁资源,此时将当前节点挂起。这里有两种情况:
- 如果挂起成功,则线程等待被唤醒,唤醒之后再次判断前驱节点是否为头节点。
- 如果挂起失败,再次判断前驱节点是否为头节点。
- 前驱节点不是头节点,说明当前节点前面有其他节点在等待获取锁资源,此时将当前节点挂起。
- 前驱节点为头节点,说明当前节点前面没有节点在等待获取锁资源,只需要等待前驱节点释放锁资源。所以可以尝试抢锁,这里有两种情况:
- 如果在挂起阶段发生异常,则取消抢锁。
- 这里为无限循环,直到线程获取到锁资源或者取消抢锁才会退出循环。
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第857行 final boolean acquirequeued(final node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final node p = node.predecessor(); if (p == head && tryacquire(arg)) { sethead(node); p.next = null; // help gc failed = false; return interrupted; } if (shouldparkafterfailedacquire(p, node) && parkandcheckinterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelacquire(node); } }
1.7 判断是否应该挂起当前线程
当线程暂时获取不到锁资源时,判断是否应该挂起当前线程。
首先获取当前节点的前驱节点的状态,这里有三种情况:
* 前驱节点的状态为signal。其中,signal表明该节点在释放锁资源后应该将后置节点唤醒。返回true。
* 前驱节点的状态为cancelled。cancelled表明该节点已取消抢锁,此时将从当前节点开始向前寻找,直到找到一个节点的状态不为cancelled,然后将他设置为当前节点的前驱节点。之后返回false.
* 如果前驱节点的状态不是以上两种情况,则通过cas将前驱节点的状态设置为signal,之后返回false。
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第795行 private static boolean shouldparkafterfailedacquire(node pred, node node) { int ws = pred.waitstatus; if (ws == node.signal) return true; if (ws > 0) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitstatus > 0); pred.next = node; } else { compareandsetwaitstatus(pred, ws, node.signal); } return false; }
1.8 挂起当前线程
将当前线程挂起,当线程被唤醒后将线程的中断状态返回.
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第835行 private final boolean parkandcheckinterrupt() { locksupport.park(this); return thread.interrupted(); }
2 解锁
2.1 解锁操作
尝试释放锁资源,这里有两种情况:
- 成功释放锁资源,获取到aqs链表中头节点,判断头节点是否为空,这里有两种情况:
- 如果头节点为空,说明没有节点持有锁资源,返回true.
- 如果头节点不为空,判断头节点状态是否为0:
- 如果头节点状态为0,说明阻塞队列中没有线程在等待获取锁,返回true.
- 如果头节点状态不为0,则将阻塞队列中第一个等待获取锁资源的线程唤醒。随后返回ture.
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.reentrantlock中第456行 public void unlock() { sync.release(1); } ============================== #java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第1260行 public final boolean release(int arg) { if (tryrelease(arg)) { node h = head; if (h != null && h.waitstatus != 0) unparksuccessor(h); return true; } return false; }
2.2 唤醒后置节点
当持有锁的节点执行相关代码完成后,需要释放锁资源并唤醒后置节点。
- 首先获取头节点的状态,如果小于0则通过cas将状态设置为0.
- 获取头节点的后置节点,这里有两种情况:
- 如果头节点的后置节点为空或者头节点的后置节点的状态大于0,则将头节点的后置节点置为空,同时从aqs链表的尾节点向前搜索,直到找到最后一个节点状态小于等于0的节点,将该节点唤醒。
- 如果头节点的后置节点不为空,则直接将该节点唤醒。
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第638行 private void unparksuccessor(node node) { int ws = node.waitstatus; if (ws < 0) compareandsetwaitstatus(node, ws, 0); node s = node.next; if (s == null || s.waitstatus > 0) { s = null; for (node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitstatus <= 0) s = t; } if (s != null) locksupport.unpark(s.thread); }
2.3 取消抢锁
当线程由于异常或某些特殊情况的发生,需要取消对锁资源的获取,将执行取消抢锁操作。
- 如果需要取消抢锁的节点为空,则直接返回。
- 否则将节点所包装的线程置为空。
- 获取节点的前驱节点,判断前驱节点的状态是否大于0,如果大于0则一直向前找,直到找到一个节点的状态小于等于0,将该节点设置为当前节点的前驱节点。
- 获取当前节点的后置节点。
- 将当前节点的状态设置为cancelled。
- 判断当前节点是否为尾节点,这里有两种情况:
- 如果当前节点是尾节点,则将当前节点的前驱节点设置为尾节点,
同时将后置引用设置为空。 - 如果当前节点不是尾节点,判断当前节点的前驱节点是否为头节
点。这里有两种情况:- 如果当前节点的前驱节点是头节点,则将当前节点唤醒。
- 如果当前节点的前驱节点不是头节点,则判断该节点状态是否为signal,如果为signal,则将该节点的后置引用指向当前节点的后置节点。
- 断开当前节点与链表的连接。
- 如果当前节点是尾节点,则将当前节点的前驱节点设置为尾节点,
流程图如下:
源码:
#java.util.concurrent.locks.abstractqueuedsynchronizer中第742行 private void cancelacquire(node node) { if (node == null) return; node.thread = null; node pred = node.prev; while (pred.waitstatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; node prednext = pred.next; node.waitstatus = node.cancelled; if (node == tail && compareandsettail(node, pred)) { compareandsetnext(pred, prednext, null); } else { int ws; if (pred != head && ((ws = pred.waitstatus) == node.signal || (ws <= 0 && compareandsetwaitstatus(pred, ws, node.signal))) && pred.thread != null) { node next = node.next; if (next != null && next.waitstatus <= 0) compareandsetnext(pred, prednext, next); } else { unparksuccessor(node); } node.next = node; // help gc } }
其实到这里还有一些内容并没有分析完,以后再补上好了。
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