AQS解析与实战
前言
前段时间在面试,发现面试官都有问到同步器AQS的相关问题。AQS为Java中几乎所有的锁和同步器提供一个基础框架,派生出如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等AQS全家桶。本文基于AQS原理的几个核心点,谈谈对AbstractQueuedSynchronizer的理解,并实现一个自定义同步器。
AQS原理面试题的核心回答要点
state 状态的维护。
CLH队列
ConditionObject通知
模板方法设计模式
独占与共享模式。
自定义同步器。
AQS全家桶的一些延伸,如:ReentrantLock等。
AQS的类图结构
AQS全称是AbstractQueuedSynchronizer,即抽象同步队列。下面看一下AQS的类图结构:
为了方便下面几个关键点的理解,大家先熟悉一下AQS的类图结构。
state 状态的维护
在AQS中维持了一个单一的共享状态state,来实现同步器同步。看一下state的相关代码如下:
state源码
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
/**
* Returns the current value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
* @return current state value
*/
protected final int getState() {
return state;
}
/**
* Sets the value of synchronization state.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
* @param newState the new state value
*/
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
/**
* Atomically sets synchronization state to the given updated
* value if the current state value equals the expected value.
* This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
* and write.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
* value was not equal to the expected value.
*/
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
state 源码设计几个回答要点:
state用volatile修饰,保证多线程中的可见性。
getState()和setState()方法采用final修饰,限制AQS的子类重写它们两。
compareAndSetState()方法采用乐观锁思想的CAS算法,也是采用final修饰的,不允许子类重写。
CLH队列
谈到CLH队列,我们结合以上state状态,先来看一下AQS原理图:
CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks) 同步队列 是一个FIFO双向队列,其内部通过节点head和tail记录队首和队尾元素,队列元素的类型为Node。AQS依赖它来完成同步状态state的管理,当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。
Node节点
CLH同步队列中,一个节点表示一个线程,它保存着线程的引用(thread)、状态(waitStatus)、前驱节点(prev)、后继节点(next),condition队列的后续节点(nextWaiter)如下图:
waitStatus几种状态状态:
我们再看一下CLH队列入列以及出列的代码:
入列
CLH队列入列就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点,当前最后一个节点的next指向当前节点。addWaiter方法如下:
//构造Node
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure(快速尝试添加尾节点)
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}
由以上代码可得,addWaiter设置尾节点失败的话,调用enq(Node node)方法设置尾节点,enq方法如下:
private Node enq(final Node node) {
//死循环尝试,知道成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//tail 不存在,设置为首节点
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
出列
首节点的线程释放同步状态后,将会唤醒它的后继节点(next),而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。可以看一下以下两段源码:
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
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);
}
CLH核心几个回答要点
双向链表入列出列
CAS算法设置尾节点+死循环自旋。
ConditionObject
ConditionObject简介
我们都知道,synchronized控制同步的时候,可以配合Object的wait()、notify(),notifyAll() 系列方法可以实现等待/通知模式。而Lock呢?它提供了条件Condition接口,配合await(),signal(),signalAll() 等方法也可以实现等待/通知机制。ConditionObject实现了Condition接口,给AQS提供条件变量的支持 。
Condition队列与CLH队列的那些事
我们先来看一下图:
ConditionObject队列与CLH队列的爱恨情仇:
调用了await()方法的线程,会被加入到conditionObject等待队列中,并且唤醒CLH队列中head节点的下一个节点。
线程在某个ConditionObject对象上调用了singnal()方法后,等待队列中的firstWaiter会被加入到AQS的CLH队列中,等待被唤醒。
当线程调用unLock()方法释放锁时,CLH队列中的head节点的下一个节点(在本例中是firtWaiter),会被唤醒。
区别:
ConditionObject对象都维护了一个单独的等待队列 ,AQS所维护的CLH队列是同步队列,它们节点类型相同,都是Node。
独占与共享模式。
AQS支持两种同步模式:独占式和共享式。
独占式
同一时刻仅有一个线程持有同步状态,如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁。
公平锁: 按照线程在队列中的排队顺序,有礼貌的,先到者先拿到锁。
非公平锁: 当线程要获取锁时,无视队列顺序直接去抢锁,不讲道理的,谁抢到就是谁的。
acquire(int arg)是独占式获取同步状态的方法,我们来看一下源码:
acquire(long arg)方法
public final void acquire(long arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
addWaiter方法
//构造Node
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure(快速尝试添加尾节点)
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}
acquireQueued(final Node node, long arg)方法
final boolean acquireQueued(final Node node, long 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);
}
}
selfInterrupt()方法
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
结合源代码,可得acquire(int arg)方法流程图,如下:
共享式
多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch等都是共享式的产物。
acquireShared(long arg)是共享式获取同步状态的方法,可以看一下源码:
public final void acquireShared(long arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
由上可得,先调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态,如果获取失败,调用doAcquireShared(int arg)自旋方式获取同步状态,方法源码如下:
private void doAcquireShared(long arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
long r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
AQS的模板方法设计模式
模板方法模式
模板方法模式:在一个方法中定义一个算法的骨架,而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下,重新定义算法中的某些步骤。
模板方法模式生活中的例子:假设我们要去北京旅游,那么我们可以坐高铁或者飞机,或者火车,那么定义交通方式的抽象类,可以有以下模板:买票->安检->乘坐xx交通工具->到达北京。让子类继承该抽象类,实现对应的模板方法。
AQS定义的一些模板方法如下:
isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
简言之,就是AQS提供tryAcquire,tryAcquireShared等模板方法,给子类实现自定义的同步器。
自定义同步器。
基于以上分析,我们都知道state,CLH队列,ConditionObject队列 等这些关键点,你要实现自定义锁的话,首先需要确定你要实现的是独占锁还是共享锁,定义原子变量state的含义,再定义一个内部类去继承AQS,重写对应的模板方法。
我们来看一下基于 AQS 实现的不可重入的独占锁的demo,来自《Java并发编程之美》:
public class NonReentrantLock implements Lock,Serializable{
//内部类,自定义同步器
static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//是否锁已经被持有
public boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
//如果state为0 则尝试获取锁
public boolean tryAcquire(int arg) {
assert arg== 1 ;
//CAS设置状态,能保证操作的原子性,当前为状态为0,操作成功状态改为1
if(compareAndSetState(0, 1)){
//设置当前独占的线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//尝试释放锁,设置state为0
public boolean tryRelease(int arg) {
assert arg ==1;
//如果同步器同步器状态等于0,则抛出监视器非法状态异常
if(getState() == 0)
throw new IllegalMonitorStateException();
//设置独占锁的线程为null
setExclusiveOwnerThread(null);
//设置同步状态为0
setState(0);
return true;
}
//返回Condition,每个Condition都包含了一个Condition队列
Condition newCondition(){
return new ConditionObject();
}
}
//创建一个Sync来做具体的工作
private final Sync sync= new Sync ();
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
NonReentrantLockDemoTest:
public class NonReentrantLockDemoTest {
private static NonReentrantLock nonReentrantLock = new NonReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
nonReentrantLock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
nonReentrantLock.unlock();
}
});
thread.start();
}
}
}
运行结果:
AQS全家桶实战
AQS派生出如ReentrantLock、Semaphore等AQS全家桶,接下来可以看一下它们的使用案例。
ReentrantLock
ReentrantLock介绍
ReentrantLock为重入锁,能够对共享资源能够重复加锁,是实现Lock接口的一个类。
ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种方式
ReentrantLock案例
使用ReentrantLock来实现个简单线程安全的list,如下:
public class ReentrantLockList {
// 线程不安全的list
private ArrayList<String> array = new ArrayList<>();
//独占锁
private volatile ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//添加元素
public void add(String e){
lock.lock();
try {
array.add(e);
}finally {
lock.unlock();
}
}
//删除元素
public void remove(String e){
lock.lock();
try {
array.remove(e);
}finally {
lock.unlock();
}
}
//获取元素
public String get(int index){
lock.lock();
try {
return array.get(index);
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
Semaphore
Semaphore介绍
Semaphore也叫信号量,可以用来控制资源并发访问的线程数量,通过协调各个线程,以保证合理的使用资源。
Semaphore案例
Java多线程有一到比较经典的面试题:ABC三个线程顺序输出,循环10遍。
public class ABCSemaphore {
private static Semaphore A = new Semaphore(1);
private static Semaphore B = new Semaphore(1);
private static Semaphore C = new Semaphore(1);
static class ThreadA extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
A.acquire();
System.out.print("A");
B.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
static class ThreadB extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
B.acquire();
System.out.print("B");
C.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
static class ThreadC extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
C.acquire();
System.out.print("C");
A.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 开始只有A可以获取, BC都不可以获取, 保证了A最先执行
B.acquire();
C.acquire();
new ThreadA().start();
new ThreadB().start();
new ThreadC().start();
}
腾讯、阿里、滴滴后台面试题汇总总结 — (含答案)
面试:史上最全多线程面试题 !
最新阿里内推Java后端面试题
JVM难学?那是因为你没认真看完这篇文章
关注作者微信公众号 —《JAVA烂猪皮》
了解更多java后端架构知识以及最新面试宝典
看完本文记得给作者点赞+在看哦~~~大家的支持,是作者源源不断出文的动力