我手写了AQS实现、画了3张流程图,就是为了让你彻底搞明白AQS原理
什么是AQS
字面上来看,AQS
是jdk1.5加入的java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
类,类名翻译成中文就是抽象的队列同步器
。由大名鼎鼎的Doug Lea
李大爷来操刀设计并开发实现。
它提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO
等待队列的同步器的框架,ReentrantLock
、Semaphore
、CountDownLatch
、CyclicBarrier
等并发类均是基于AQS
来实现的,具体用法是通过继承AQS
实现其模板方法,然后将子类作为同步组件的内部类。
为何要了解AQS
因为AQS是实现 Lock 的基础
。想要深入了解Java的并发编程,AQS是锁的实现根基。
AQS原理
AQS核心思想是,如果被请求的共享资源空闲,那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,将共享资源设置为锁定状态;如果共享资源被占用,就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。
图:AQS原理图
手动实现AQS
首先,我们模拟一个在线电商的秒杀场景。多位用户一起来抢购某件商品,看不加锁时,会不会发生超卖现象。 然后,基于AQS原理,我们实现一个AQS,看加锁之后,能否解决问题。
模拟秒杀场景
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
/**
* 程序入口
* created at 2020-06-27 20:00
* @author lerry
*/
@Slf4j
public class DiyAqsDemo {
/**
* 剩余库存
*/
private volatile int stock = 5;
/**
* 模拟用户个数
*/
public static final long USER_COUNT = 100;
public static void main(String[] args) {
DiyAqsDemo diyAqsDemo = new DiyAqsDemo();
for (int i = 0; i < USER_COUNT; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> diyAqsDemo.buy(), String.format("第%d位顾客的线程", i + 1));
thread.start();
}
}
/**
* 购买
*/
public void buy() {
try {
// 模拟购买的耗时
Thread.sleep(10);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (stock > 0) {
log.info("购买成功,剩余库存为:{}", this.stock);
stock--;
}
else {
log.info("购买失败,库存不足,剩余库存为:{}", this.stock);
}
}
}
截取部分运行结果如下
2020-07-02 06:52:22.392 [第70位顾客的线程] INFO com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功,剩余库存为:5
2020-07-02 06:52:22.392 [第71位顾客的线程] INFO com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功,剩余库存为:5
2020-07-02 06:52:22.392 [第73位顾客的线程] INFO com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功,剩余库存为:5
……
2020-07-02 06:52:22.394 [第84位顾客的线程] INFO com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买成功,剩余库存为:3
2020-07-02 06:52:22.397 [第98位顾客的线程] INFO com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买失败,库存不足,剩余库存为:0
2020-07-02 06:52:22.399 [第99位顾客的线程] INFO com.hua.threadtest.aqs.DiyAqsDemo - 购买失败,库存不足,剩余库存为:-28
可以发现,第99位顾客来购买时,库存是负的。虽然我们使用了volatile
关键字来修饰库存变量,但是主内存与工作内存交互时的lock、unlock、read、load、use、assign、store、write
步骤,保证不了原子性,读取每个线程拷贝了主内存的库存值到自己的工作内存,它们认为还有库存,继续购买,于是发生了超卖。
图:主内存和工作内存的交互
那么,我们实现一个AQS锁,在判断库存是否充足时,加锁,等库存修改后,再释放锁,不就解决问题了么。说干就干:
手动实现AQS
流程图如下:
图:Thread1线程获取锁
这时,Thread1尝试获取锁,队列为空,获取锁的动作,需要是原子的。这里采用sun.misc.Unsafe
的compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5)
函数,来保证原子性。
线程1修改state=1
后,lockHolder引用指向线程1
,程序获取锁成功,退出lock()
方法,继续业务逻辑。
业务逻辑执行完成后,执行unlock()
方法。首先检查当前线程是不是lockHolder
指向的线程,其他线程是无权限释放锁的。 修改state=0
,然后把lockHolder
对象置空。如果等待队列有值,则取栈首的对象出来,然后唤醒该线程。如果等待队列没有对象,则不作处理。
图:Thread1释放锁
源码
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
import java.util.stream.Collectors;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import sun.misc.Unsafe;
/**
* 自定义AQS
* created at 2020-06-27 19:55
* @author lerry
*/
@Slf4j
public class DiyAqsLock {
/**
* <pre>
* 使用一个Volatile的int类型的成员变量来表示同步状态
* 记录锁的状态 0表示没有线程持有锁
* >0表示有线程持有锁
* </pre>
*/
private volatile int state = 0;
/**
* 用于记录持有锁的线程
*/
private Thread lockHolder;
/**
* 存放获取锁失败的线程对象
*/
private ConcurrentLinkedQueue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<>();
/**
* 通过Unsafe进行cas操作
*/
private static final Unsafe unsafe = UnsafeInstance.getInstance();
private static long stateOffset;
static {
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(DiyAqsLock.class.getDeclaredField("state"));
}
catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 加锁
*/
public void lock() {
// 同步获取锁
if (acquire()) {
return;
}
Thread current = Thread.currentThread();
log.debug("线程状态为:{}", current.getState());
// 获取锁失败的 添加进队列里
waiters.add(current);
// 自旋获取锁
for (; ; ) {
// 如果当前线程是栈首的对象,并且获取锁成功,则在等待队列中移除栈首对象,否则继续等待
if (current == waiters.peek() && acquire()) {
// 移除队列
waiters.poll();
return;
}
// 让出cpu的使用权
LockSupport.park(current);
}
}
/**
* 获取锁
* @return
*/
private boolean acquire() {
int state = getState();
Thread current = Thread.currentThread();
boolean waitCondition = waiters.size() == 0 || current == waiters.peek();
if (state == 0 && waitCondition) {
// 没有线程获取到锁
if (compareAndSwapState(0, 1)) {
log.info("获取锁成功");
// 同步修改成功 将线程持有者修改为当前线程
setLockHolder(current);
return true;
}
}
return false;
}
/**
* cas操作
* @param expect
* @param update
* @return
*/
public final boolean compareAndSwapState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
/**
* 解锁
*/
public void unlock() {
System.out.printf("当前等待队列为:%s\n", waiters.stream().map(w -> w.getName()).collect(Collectors.toList()));
// 1.校验释放锁的线程是不是当前持有锁的线程
if (Thread.currentThread() != lockHolder) {
throw new RuntimeException("threadHolder is not current thread");
}
// 2. 释放锁修改state
if (getState() == 1 && compareAndSwapState(1, 0)) {
log.info("释放锁成功");
// 将锁的持有线程置为空
setLockHolder(null);
// 2.唤醒队列里的第一个线程
Thread first = waiters.peek();
if (first != null) {
// 解除线程的阻塞
LockSupport.unpark(first);
}
}
}
public int getState() {
return state;
}
public void setLockHolder(Thread lockHolder) {
this.lockHolder = lockHolder;
}
}
@Slf4j
class UnsafeInstance {
public static Unsafe getInstance() {
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
return (Unsafe) field.get(null);
}
catch (Exception e) {
log.error(e.getMessage(), e);
return null;
}
}
}
源码关键部分解读
boolean waitCondition = waiters.size() == 0 || current == waiters.peek();
为何获取锁时,要判断这一句呢?
看流程图,如果是线程1获取锁,此时等待队列为空,可以正常获取锁,没有问题。
如果是线程2来获取锁,假设队列不为空(队列里有线程3、线程4等),为了保证排在队伍前面的线程2可以获取到锁,我们加上了current == waiters.peek()
,这样就确保了公平性。先入先出。
我们试着去掉这个条件判断,在释放锁时加上当前等待队列的打印
/**
* 解锁
*/
public void unlock() {
System.out.printf("当前等待队列为:%s\n", waiters.stream().map(w -> w.getName()).collect(Collectors.toList()));
……
然后再次运行程序,结果如下:
图:插队的情况
可以看到,此时获取锁,本来排在第1位顾客后面的是第6位顾客,却被第92位顾客插队了,不是“先来先得”了。
加上waitCondition
判断后,运行结果如下:
图:按照排队顺序获取锁
可以看到,这次没有人再插队了。
public static Unsafe getInstance()
这里获取Unsafe
对象,没有直接new
,因为这个类比较特殊,Java不建议用户直接使用。
查看Unsafe.getUnsafe()
源码:
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
Class var0 = Reflection.getCallerClass();
if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
throw new SecurityException("Unsafe");
} else {
return theUnsafe;
}
}
当且仅当调用getUnsafe
方法的类为引导类加载器所加载时才合法,否则抛出SecurityException异常。
public final boolean compareAndSwapState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
cas操作,解决原子操作,确保对state
进行修改是原子性的。
LockSupport.park(current);
当获取锁失败时,我们采用自旋的方式,让当前线程先等待。如果这里使用wait
,则在notify
时,我们无法准确唤醒指定的线程。而java.util.concurrent.locks.LockSupport
类,则提供了public static void unpark(Thread thread)
,可以唤醒指定线程。
Unsafe.objectFieldOffset()
//返回对象成员属性在内存地址相对于此对象的内存地址的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);
参考
图灵学院:手写高并发秒杀场景同步器锁防超卖,现场压测
手写AQS锁解决秒杀超卖 - 知乎
Java魔法类:Unsafe应用解析 - 美团技术团队
环境说明
- java -version
java version "1.8.0_251"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_251-b08)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.251-b08, mixed mode)
- OS:
macOS High Sierra 10.13.4
- 日志:
logback
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