《Java并发编程的艺术》学习总结-队列同步器(AQS)

本文深入解析了队列同步器(AQS)的工作原理,包括独占式和共享式同步状态的获取与释放流程,以及AQS如何利用CLH队列管理线程的等待和唤醒机制。

一.队列同步器

队列同步器是一个抽象类,全名AbstactQueuedSynchronizer,简称AQS,基于模板方法模式设计的,即会提供一些抽象方法供使用者重写,提供一些模板方法供使用者调用,在自定义同步器的实现中会通过调用模板方法来调用使用者重写的方法。

同步器提供了如下三个模板方法来访问或修改同步状态

*getState():获取当前同步状态

*setState():设置当前同步状态

*compareAndSetState(int expect,int update):使用CAS设置当前状态,只有当实际值和我们expect变量的值相等时,才能修改成功,该方法会调用底层Unsafe的库函数,因此能够保证原子性。

同步器提供的模板方法可分为三类:独占式获取与释放同步状态,共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。自定同步组件将使用同步器提供的模板方法来实现自己的同步语义

二.同步器的实现分析

同步器依赖内部的同步队列(CLH,一个FIFO双向队列)来完成同步状态的管理,当前线程获取同步状态失败时,同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个结点(Node)并将其假如同步队列,同时会调用Unsafe的park方法阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点的线程唤醒,使其再次尝试获取同步状态。

同步队列的结点(Node)用来保存获取同步状态失败的线程引用,等待状态以及前驱和后继结点。

结点属性如下所示:

同步队列基本结构如下所示:

在上图中,同步器包含了两个节点类型的引用,一个指向头节点,一个指向尾节点,由于加入队列的过程必须要保证线程安全,因此同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点的方法:compareAndSetTail(Node expect,Node update)

同步器将结点加入到同步队列过程如图:

同步队列遵循FIFO,首节点是获取同步状态成功的结点,首节点在释放同步状态时,会唤醒后继结点,而后继结点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首结点,该过程如图所示:

由于设置首节点是通过获取同步状态成功的线程来完成,并且只有一个线程能同步获取到同步状态,所以设置头节点的方法不需要用CAS来保证(当同步队列为空时需要CAS操作)。

三.独占式同步状态获取与释放

可用通过调用AQS的模板方法acquire来独占式的获取同步状态,该方法堆中断不敏感,也就是假如线程由于获取同步状态失败进入同步队列,后续堆线程进行中断操作,线程也不会从队列中移除,同步器中模板方法acquire如图所示:

其中的tryAcquire方法是使用者自己重写的方法,该方法保证线程安全的获取同步状态,如果同步状态获取失败,则构造同步结点(独占式Node.EXCLUSIVE,同一时刻只能有一个线程成功获取到同步状态)并通过addWaiter方法将该节点加入到同步队列的尾部,最后调用acquireQueued(Node node,int arg)方法,使得该节点以“死循环”获取同步状态。

addWaiter方法和enq方法如图所示:

这个地方addWaiter方法首先会尝试在队列的尾部添加结点,如果成功了就直接返回结点,如果没有成功就进入enq方法,enq方法中,如果判断尾结点是个空指针的话那么这个队列肯定是空的,我们可以通过CAS操作将该结点同时设置为头节点和尾结点,否则的话我们不断尝试用CAS操作更新尾结点

acquireQueued方法如图:

这个方法会当前驱结点是头节点是才能够尝试获取同步状态,原因有两个如下:

第一,头节点是成功获取到同步状态的结点,而头节点的线程释放了同步状态后会唤醒其后继结点,后继结点的线程被唤醒后需要检查自己的前驱结点是否是头节点。

第二,维护同步队列的FIFO原则。

独占式同步状态获取流程:

总结:在获取同步状态时,同步器维护一个同步队列,获取状态失败的线程都会被加入到队列中并在队列中自旋;移出队列(或停止自旋)的条件是前驱结点为头节点且成功获取到了同步状态。在释放同步状态时,同步器调用tryRelease(int arg)方法释放同步状态,然后唤醒头节点的后继结点。

四.共享式同步状态获取与释放

共享式获取与独占式最主要区别就是在同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。

在共享式访问资源时,其它共享式的访问均被允许,而独占式访问被阻塞,如下图所示:

我们可以通过调用同步器的acquireShared(int arg)模板方法来共享式的获取同步状态,如下图所示:

在该方法中,同步器调用tryAcquireShared(int arg)方法法尝试获取同步状态,tryAcquireShared(int arg)方法返回值为int类型,当返回值大于等于0时,表示能够获取到同步状态

与独占式一样,共享式获取也需要释放同步状态,通过调用releaseShared(int arg)方法可以 释放同步状态,该方法代码如图:

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