AQS

AQS

AQS 提供一个框架,用于实现依赖于先进先出(FIFO)等待队列 的阻塞锁和相关同步器(信号量,事件等)。对于大多数依赖单个原子 int 值表示状态的同步器,该类可以作为十分有用的基类。子类必须定义所有的protected方法(包括tryAcquiretryRelease),来改变这个状态,并且定义哪些状态代表来对象被使用和被释放。鉴于这些,该类中其他的方法用来实现队列和阻塞的机制。子类可以维护其他状态字段,但是只有使用 getStatesetState以及 compareAndSetState 来原子的操作状态值。

子类需要定义非 public 的内部工具类用于实现其内部类的同步属性。AbstractQueuedSynchronizer 类不实现任何同步接口,相反,它定义了诸如acquireInterruptibly之类的方法,可以被具体的锁和相关的同步器适当地调用,以实现它们的公共方法。

该类支持默认的独占模式和共享模式。当一个线程处在独占模式下,其他试图 acquire 的线程都无法成功。共享模式可以同时被多个线程 acquire成功。在具体的应用场景中该类无法理解这些区别,当共享模式 acquire 成功之后,下一个线程(如果有一个存在)必须判定是否能够acquire。线程等待在不同的模式里但是会共享同一个FIFO队列。通常来说,子类只需要支持其中一种模式,但是如果都支持,可以参照ReadWriteLock。子类不需要定义不支持模式的方法。

该类定义AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject内部类,可以被子类使用的 Condition 实现,来支持独占模式 isHeldExclusively 判定当前线程的同步是否是独占模式,可用通过release方法与 getState 方法来完全释放当前对象,在将保存的状态值调用acquire,最终将此对象恢复到其先前获取的状态。AbstractQueuedSynchronizer没有方法来创建 Condition,所以如果无法满足这个约束,则不要使用它。AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject 的行为与具体的同步器实现有关。

该类为内部队列提供检查,检测和监视方法,以及 在condition objects上的类似方法。 这些方法可以根据需要使用 AbstractQueuedSynchronizer 用于它们的同步机制。该类的序列化仅存储 atomic int 的状态值,因此反序列化对象的线程队列为空。

使用

为了使用该类去创建一个同步器,需要重新定义以下方法,并使用 getState, setState, compareAndSetState 方法来改变同步状态。 - tryAcquire - tryRelease - tryAcquireShared - tryReleaseShared - isHeldExclusively

上述所有方法默认实现都会抛出 UnsupportedOperationException。这个方法的具体实现必须保证内部的线程安全,并且应该快速并且不会阻塞。所有其他方法均为 final,因为他们不能独立变化。

也许你发现一些继承自 AbstractOwnableSynchronizer 的方法非常有助于线程保持拥有其独占同步器。同时我们也鼓励使用他们,有助于监控和诊断工具判定哪些线程持有来锁。

ReentrantLock

公平锁相比与非公平锁在 tryAcquire中会多判定一个 hasQueuedPredecessors,如果为 false(队列头为当前线程–已获取锁 or 队列为空)并且成功修改状态值,则可以认为获取锁成功,这样才是重入,不然加到队尾就会有麻烦。

ReentrantLock 中通过两个子类 FairSyncNoFairSync 继承 AQS 来实现锁。在Lock方法中,直接调用 AQS 的 acquireacquire会调用 NoFairSync 中的tryAcquire来尝试让当前线程直接获取锁。如果失败则会创建链表节点,将当前线程加入队列,并park。当release方法被调用后,会寻找队列下一个节点进行 unpark,这样他就有机会在acquireQueued中获取锁。

公平和非公平就体现在 tryAcquire 方法中,FairSync会判定当前线程是否已获取锁 or 队列为空,在这样的情况下才会尝试获取锁。而NoFairSync会直接来获取锁。

Condition

Condition 因子将 Object monitor 方法(wait, notify and notifyAll)拆分为不同的对象,通过将它们与 Lock 相结合来实现每个对象具有多个等待集的效果。任何 Lock 可以替代 synchronized 关键字的地方,都可以用Condition 来替换Object monitor 方法。

Conditions(也称为 条件队列 或者 条件变量)提供了一种方法 – 让线程暂停执行,直到其他线程基于某种条件唤醒。在多个线程中访问一些共享的状态信息,是需要进行保护的,所以 LockCondition 有某种形式的关联。Condition提供的关键属性是它以原子方式释放关联的锁并挂起当前线程,就像Object.wait一样。

Condition 本质上是绑定到 Lock。可以通过 Lock.newCondition() 来获取一个 Condition 实例。

Condition 的实现可以提供相比于 Object monitor方法不一样的行为和语义,比如:被通知调起的顺序、在通知时不需要持有锁。如果实现类提供了不一样的语义,必须在文档中进行说明。

Condition 实例只是普通的对象,可以用在同步语句中,并且有他们自己的 Object monitorwaitnotification 方法。获取 Condition 对象的 Object monitor 或者使用其 monitor 方法,与Lock 中使用 Conditionwait 或者 signal 方法没有任何关系。为了避免混淆,不建议使用 ConditionObject monitor 方法,除非在它自己的实现里。

实现类需要注意

  • 虚假唤醒(spurious wakeup):开发者最好将条件 wait 方法放在循环中
  • Condition 有3中 wait 形式(interruptible, non-interruptible, and timed),在不同平台的底层实现可能不同。因此,不需要对三种 wait 定义一致的语义,也不需要支持中断形式的线程暂停。

AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject

/** First node of condition queue. */
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
private transient Node lastWaiter;

ConditionObject 的内部维护了一个队列:条件队列,与 AbstractQueuedSynchronizer 里的 等待队列 不同。

基本上,把这张图看懂,你也就知道 condition 的处理流程了。

  1. 条件队列和等待队列的节点,都是 Node 的实例,因为条件队列的节点是需要转移到等待队列中去的;
  2. 我们知道一个 ReentrantLock 实例可以通过多次调用 newCondition() 来产生多个 Condition 实例,这里对应 condition1condition2。注意,ConditionObject 只有两个属性 firstWaiterlastWaiter;
  3. 每个 condition 有一个关联的条件队列,如线程 1 调用 condition1.await() 方法即可将当前线程 1 包装成 Node 后加入到条件队列中,然后阻塞在这里,不继续往下执行,条件队列是一个单向链表;
  4. 调用condition1.signal() 触发一次唤醒,此时唤醒的是队头,会将condition1 对应的条件队列的 firstWaiter(队头) 移到等待队列的队尾,等待获取锁,获取锁后 await 方法才能返回,继续往下执行。

上面的 2->3->4 描述了一个最简单的流程,没有考虑中断、signalAll、还有带有超时参数的 await 方法等,不过把这里弄懂是这节的主要目的。