學(xué)習(xí)Java并發(fā)編程不得不去了解一下java.util.concurrent這個(gè)包，這個(gè)包下面有許多我們經(jīng)常用到的并發(fā)工具類，例如：ReentrantLock, CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore等。而這些類的底層實(shí)現(xiàn)都依賴于AbstractQueuedSynchronizer這個(gè)類，由此可見這個(gè)類的重要性。所以在Java并發(fā)系列文章中我首先對(duì)AbstractQueuedSynchronizer這個(gè)類進(jìn)行分析，由于這個(gè)類比較重要，而且代碼比較長(zhǎng)，為了盡可能分析的透徹一些，我決定用四篇文章對(duì)該類進(jìn)行一個(gè)比較完整的介紹。本篇文章作為概要介紹主要是讓讀者們對(duì)該類有個(gè)初步了解。為了敘述簡(jiǎn)單，后續(xù)有些地方會(huì)用AQS代表這個(gè)類。
1. AbstractQueuedSynchronizer這個(gè)類是干嘛的？
相信要許多讀者使用過(guò)ReentrantLock，但是卻不知道AbstractQueuedSynchronizer的存在。其實(shí)ReentrantLock實(shí)現(xiàn)了一個(gè)內(nèi)部類Sync，該內(nèi)部類繼承了AbstractQueuedSynchronizer，所有鎖機(jī)制的實(shí)現(xiàn)都是依賴于Sync內(nèi)部類，也可以說(shuō)ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)就是依賴于AbstractQueuedSynchronizer類。于此類似，CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore這些類也是采用同樣的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自己對(duì)于鎖的控制。可見，AbstractQueuedSynchronizer是這些類的基石。那么AQS內(nèi)部到底實(shí)現(xiàn)了什么以至于所以這些類都要依賴于它呢？可以這樣說(shuō)，AQS為這些類提供了基礎(chǔ)設(shè)施，也就是提供了一個(gè)密碼鎖，這些類擁有了密碼鎖之后可以自己來(lái)設(shè)置密碼鎖的密碼。此外，AQS還提供了一個(gè)排隊(duì)區(qū)，并且提供了一個(gè)線程訓(xùn)導(dǎo)員，我們知道線程就像一個(gè)原始的野蠻人，它不懂得講禮貌，它只會(huì)橫沖直撞，所以你得一步一步去教它，告訴它什么時(shí)候需要去排隊(duì)了，要到哪里去排隊(duì)，排隊(duì)前要做些什么，排隊(duì)后要做些什么。這些教化工作全部都由AQS幫你完成了，從它這里教化出來(lái)的線程都變的非常文明懂禮貌，不再是原始的野蠻人，所以以后我們只需要和這些文明的線程打交道就行了，千萬(wàn)不要和原始線程有過(guò)多的接觸！
2. 為何說(shuō)AbstractQueuedSynchronizer提供了一把密碼鎖？
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//同步隊(duì)列的頭結(jié)點(diǎn)private transient volatile Node head; //同步隊(duì)列的尾結(jié)點(diǎn)private transient volatile Node tail;//同步狀態(tài)private volatile int state;//獲取同步狀態(tài)protected final int getState() { return state;}//設(shè)置同步狀態(tài)protected final void setState(int newState) { state = newState;}//以CAS方式設(shè)置同步狀態(tài)protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);} |
上面的代碼列出了AQS的所有成員變量，可以看到AQS的成員變量只有三個(gè)，分別是同步隊(duì)列頭結(jié)點(diǎn)引用，同步隊(duì)列尾結(jié)點(diǎn)引用以及同步狀態(tài)。注意，這三個(gè)成員變量都使用了volatile關(guān)鍵字進(jìn)行修飾，這就確保了多個(gè)線程對(duì)它的修改都是內(nèi)存可見的。整個(gè)類的核心就是這個(gè)同步狀態(tài)，可以看到同步狀態(tài)其實(shí)就是一個(gè)int型的變量，大家可以把這個(gè)同步狀態(tài)看成一個(gè)密碼鎖，而且還是從房間里面鎖起來(lái)的密碼鎖，state具體的值就相當(dāng)于密碼控制著密碼鎖的開合。當(dāng)然這個(gè)鎖的密碼是多少就由各個(gè)子類來(lái)規(guī)定了，例如在ReentrantLock中，state等于0表示鎖是開的，state大于0表示鎖是鎖著的，而在Semaphore中，state大于0表示鎖是開的，state等于0表示鎖是鎖著的。
3. AbstractQueuedSynchronizer的排隊(duì)區(qū)是怎樣實(shí)現(xiàn)的？
AbstractQueuedSynchronizer內(nèi)部其實(shí)有兩個(gè)排隊(duì)區(qū)，一個(gè)是同步隊(duì)列，一個(gè)是條件隊(duì)列。從上圖可以看出，同步隊(duì)列只有一條，而條件隊(duì)列可以有多條。同步隊(duì)列的結(jié)點(diǎn)分別持有前后結(jié)點(diǎn)的引用，而條件隊(duì)列的結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)指向后繼結(jié)點(diǎn)的引用。圖中T表示線程，每個(gè)結(jié)點(diǎn)包含一個(gè)線程，線程在獲取鎖失敗后首先進(jìn)入同步隊(duì)列排隊(duì)，而想要進(jìn)入條件隊(duì)列該線程必須持有鎖才行。接下來(lái)我們看看隊(duì)列中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。
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//同步隊(duì)列的結(jié)點(diǎn)static final class Node { static final Node SHARED = new Node(); //表示當(dāng)前線程以共享模式持有鎖 static final Node EXCLUSIVE = null; //表示當(dāng)前線程以獨(dú)占模式持有鎖 static final int CANCELLED = 1; //表示當(dāng)前結(jié)點(diǎn)已經(jīng)取消獲取鎖 static final int SIGNAL = -1; //表示后繼結(jié)點(diǎn)的線程需要運(yùn)行 static final int CONDITION = -2; //表示當(dāng)前結(jié)點(diǎn)在條件隊(duì)列中排隊(duì) static final int PROPAGATE = -3; //表示后繼結(jié)點(diǎn)可以直接獲取鎖 volatile int waitStatus; //表示當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的等待狀態(tài) volatile Node prev; //表示同步隊(duì)列中的前繼結(jié)點(diǎn) volatile Node next; //表示同步隊(duì)列中的后繼結(jié)點(diǎn) volatile Thread thread; //當(dāng)前結(jié)點(diǎn)持有的線程引用 Node nextWaiter; //表示條件隊(duì)列中的后繼結(jié)點(diǎn) //當(dāng)前結(jié)點(diǎn)狀態(tài)是否是共享模式 final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } //返回當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的前繼結(jié)點(diǎn) final Node predecessor() throws NullPointerException { Node p = prev; if (p == null) { throw new NullPointerException(); } else { return p; } } //構(gòu)造器1 Node() {} //構(gòu)造器2, 默認(rèn)用這個(gè)構(gòu)造器 Node(Thread thread, Node mode) { //注意持有模式是賦值給nextWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } //構(gòu)造器3, 只在條件隊(duì)列中用到 Node(Thread thread, int waitStatus) { this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; }} |
Node代表同步隊(duì)列和條件隊(duì)列中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，它是AbstractQueuedSynchronizer的內(nèi)部類。Node有很多屬性，比如持有模式，等待狀態(tài)，同步隊(duì)列中的前繼和后繼，以及條件隊(duì)列中的后繼引用等等。可以把同步隊(duì)列和條件隊(duì)列看成是排隊(duì)區(qū)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)看成是排隊(duì)區(qū)的座位，將線程看成是排隊(duì)的客人。客人剛來(lái)時(shí)會(huì)先去敲敲門，看看鎖有沒有開，如果鎖沒開它就會(huì)去排隊(duì)區(qū)領(lǐng)取一個(gè)號(hào)碼牌，聲明自己想要以什么樣的方式來(lái)持有鎖，最后再到隊(duì)列的末尾進(jìn)行排隊(duì)。
4 怎樣理解獨(dú)占模式和共享模式？
前面講到每個(gè)客人在排隊(duì)前會(huì)領(lǐng)取一個(gè)號(hào)碼牌，聲明自己想要以什么樣的方式來(lái)占有鎖，占有鎖的方式分為獨(dú)占模式和共享模式，那么怎樣來(lái)理解獨(dú)占模式和共享模式呢？實(shí)在找不到什么好的比喻，大家可以聯(lián)想一下公共廁所，獨(dú)占模式的人比較霸道，老子要么就不進(jìn)，進(jìn)來(lái)了就不許別人再進(jìn)了，自己一個(gè)人獨(dú)自占用整個(gè)廁所。共享模式的人就沒那么講究了，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)這個(gè)廁所已經(jīng)可以用了之后，它自己進(jìn)來(lái)還不算，還得熱心的問下后面的人介不介意一起用，如果后面的人不介意一起使用那就不用再排隊(duì)了大家一起上就是了， 當(dāng)然如果后面的人介意那就只好留在隊(duì)列里繼續(xù)排隊(duì)了。
5 怎樣理解結(jié)點(diǎn)的等待狀態(tài)？
我們還看到每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)等待狀態(tài)，這個(gè)等待狀態(tài)分為CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE四種狀態(tài)。可以將這個(gè)等待狀態(tài)看作是掛在座位旁邊的牌子，標(biāo)識(shí)當(dāng)前座位上的人的等待狀態(tài)。這個(gè)牌子的狀態(tài)不僅自己可以修改，其他人也可以修改。例如當(dāng)這個(gè)線程在排隊(duì)過(guò)程中已經(jīng)打算放棄了，它就會(huì)將自己座位上的牌子設(shè)置為CANCELLED，這樣其他人看到了就可以將它清理出隊(duì)列。還有一種情況是，當(dāng)線程在座位上要睡著之前，它怕自己睡過(guò)了頭，就會(huì)將前面位置上的牌子改為SIGNAL，因?yàn)槊總€(gè)人在離開隊(duì)列前都會(huì)回到自己座位上看一眼，如果看到牌子上狀態(tài)為SIGNAL，它就會(huì)去喚醒下一個(gè)人。只有保證前面位置上的牌子為SIGNAL，當(dāng)前線程才會(huì)安心的睡去。CONDITION狀態(tài)表示該線程在條件隊(duì)列中排隊(duì)，PROPAGATE狀態(tài)提醒后面來(lái)的線程可以直接獲取鎖，這個(gè)狀態(tài)只在共享模式用到，后面單獨(dú)講共享模式的時(shí)候會(huì)講到。
6. 結(jié)點(diǎn)進(jìn)入同步隊(duì)列時(shí)會(huì)進(jìn)行哪些操作？
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//結(jié)點(diǎn)入隊(duì)操作, 返回前一個(gè)結(jié)點(diǎn)private Node enq(final Node node) { for (;;) { //獲取同步隊(duì)列尾結(jié)點(diǎn)引用 Node t = tail; //如果尾結(jié)點(diǎn)為空說(shuō)明同步隊(duì)列還沒有初始化 if (t == null) { //初始化同步隊(duì)列 if (compareAndSetHead(new Node())) { tail = head; } } else { //1.指向當(dāng)前尾結(jié)點(diǎn) node.prev = t; //2.設(shè)置當(dāng)前結(jié)點(diǎn)為尾結(jié)點(diǎn) if (compareAndSetTail(t, node)) { //3.將舊的尾結(jié)點(diǎn)的后繼指向新的尾結(jié)點(diǎn) t.next = node; //for循環(huán)唯一的出口 return t; } } }} |
注意，入隊(duì)操作使用一個(gè)死循環(huán)，只有成功將結(jié)點(diǎn)添加到同步隊(duì)列尾部才會(huì)返回，返回結(jié)果是同步隊(duì)列原先的尾結(jié)點(diǎn)。下圖演示了整個(gè)操作過(guò)程。
讀者需要注意添加尾結(jié)點(diǎn)的順序，分為三步：指向尾結(jié)點(diǎn)，CAS更改尾結(jié)點(diǎn)，將舊尾結(jié)點(diǎn)的后繼指向當(dāng)前結(jié)點(diǎn)。在并發(fā)環(huán)境中這三步操作不一定能保證完成，所以在清空同步隊(duì)列所有已取消的結(jié)點(diǎn)這一操作中，為了尋找非取消狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)，不是從前向后遍歷而是從后向前遍歷的。還有就是每個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)入隊(duì)列中時(shí)它的等待狀態(tài)是為0，只有后繼結(jié)點(diǎn)的線程需要掛起時(shí)才會(huì)將前面結(jié)點(diǎn)的等待狀態(tài)改為SIGNAL。
注：以上全部分析基于JDK1.7，不同版本間會(huì)有差異，讀者需要注意。
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