JDK Concurrent包组件概解（2）- 无锁并发的核心AbstractQueuedSynchronizer

noob_can

已于 2022-12-30 11:36:14 修改

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分类专栏： Concurrent 文章标签：链表

于 2021-08-17 22:06:01 首次发布

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本文深入探讨了Java并发编程中AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的工作原理，包括其在ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch等同步工具中的实现。AQS通过内部节点状态管理和线程挂起与唤醒来实现线程间的同步。文章详细阐述了AQS的公平与非公平策略，以及ConditionObject的等待与唤醒机制。此外，还介绍了CyclicBarrier的使用及其内部实现机制。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

AbstractQueuedSynchronizer

ReentrantLock独占锁

ConditionObject

ReentrantReadWriteLock

Semaphore、CountDownLatch实现

Semaphore

CountDownLatch

CyclicBarrier

`AbstractQueuedSynchronizer`

CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks): 是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地自旋，不断轮询前驱的状态，如果前驱释放了锁就结束自旋。

用内部类Node来封装因等待权限而挂起的线程，维护一个双向链表。使用LockSupport#unpark、LockSupport#park 来控制线程的挂起和再次执行。

static final class Node {
        /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
        /** waitStatus value to indicate the next acquireShared should unconditionally propagate  */
        static final int PROPAGATE = -3;
        // 节点状态
        volatile int waitStatus;
        // 表示的线程
        volatile Thread thread;

Node的状态

添加到AQS链上时：初始状态为0；后面新添加挂起线程的节点时被更新为： SIGNAL (-1)，标识有next在等待prev释放锁。
大于0 只能是取消 CANCELLED (1) ；
Node在“ConditionWaiter”链上才是 CONDITION (-2)。
PROPAGATE (-3) 从当前测试情况来看，仅是一个过渡状态。

Node的类型

独占模式 EXCLUSIVE ： ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock#WriteLock ；

关键方法： AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued

方法#tryAcquire由具体组件来差异实现，决定当前线程是否可以拿到权限。

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
               // 前节点是head<前一个占锁运行的线程,现在已经释放了锁并唤醒当前线程> && 能拿到权限
                    setHead(node); // 将自己设置为head
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt()) // park线程
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

共享模式 SHARED : Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock#ReadLock；

关键方法： AbstractQueuedSynchronizer#doAcquireShared

方法#tryAcquireShared也是由具体组件来差异实现，决定当前线程是否可以拿到权限。同时，这里还有一个#setHeadAndPropagate方法来控制向后传播唤醒next。

    private void doAcquireShared(int arg) {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg); // 决定当前线程是否可以获取权限，并向后唤醒
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r); // 向后传播唤醒next
                        p.next = null; // help GC
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())  // park 线程
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

ReentrantLock独占锁

主要起作用的是它内部持有的内部类Sync变量，该内部对象实现了抽象类AbstractQueuedSynchronizer。

实现分为：分公平锁FairSync、非公平锁NonfairSync。

公平锁: 优先判定已经有其他等待线程在链头则入链尾。
非公平锁：直接compareAndSetState判定是否可以加锁。

大概逻辑如下 (见：AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued)

内部维护了一个"int state"，标识被同一个线程占用了多少次，每次占用 ++ ，释放 -- ，占用N次需释放N次。
父类AbstractOwnableSynchronizer里有"Thread exclusiveOwnerThread"来记录独占<NODE.EXCLUSIVE>线程，同线程可重入。
如果锁已经被其他线程占用，该线程被封装为Node，状态初始值为0，以compareAndSetTail方式入链尾，随后挂起该线程；同时将AQS链它前面的线程节点状态更新为Node.SIGNAL。
能获取到锁权限：
当前执行线程(pre_node)，它在链上此时一定是链头head。它释放锁权限后，节点状态重置为初始值0，唤醒链上next_node开始执行，见：AbstractQueuedSynchronizer#unparkSuccessor
该next线程获取到锁权限后，就断开与pre_node的指针关系。

线程节点在AQS链里： head.waitStatus \ head.next.waitStatus 都是 Node.SIGNAL ，只有最后tail节点还是初始值0。

指定获取锁的超时时间 ReentrantLock#tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 原理是：

LockSupport#parkNanos(this, nanosTimeout)来约定挂起线程的时长 , 超时后会再判定一次是否能获取锁，如果还是无法独占则返回false。

ConditionObject

它是AbstractQueuedSynchronizer的内部类, 单独维护了一个ConditionWaiter的节点链表。

与ReentrantLock合用类似于 synchronized 和 Object.wait() \ Object.notify() \ Object.notifyAll() 的组合。

先ConditionObject#await()：

将当前持有锁权限的线程封装为Node, 状态是：Node.CONDITION ；链入到ConditionWaiter节点链末尾。
释放当前线程执行锁的权限，如果有重入则需要全部释放，记录释放权限时的state值。当前线程必须持有该锁的权限，否则抛出异常IllegalMonitorStateException（见：ReentrantLock.Sync#tryRelease）。
挂起该线程。
等到被 signal() | signalAll() 唤醒后，再重新去竞争锁权限，之前释放时的state值需要在重新获取权限时重设回来。

ConditionObject#awaitNanos也是使用LockSupport#parkNanos(this, nanosTimeout)来指定时间内挂起线程。

后 ConditionObject#signalAll() ：(signal() 只处理第一个firstWaiter，处理过程一样。)

逐个遍历ConditionWaiter链上的所有节点

节点状态重置为0，重新链回到AQS里等待链的末尾，并LockSupport#unpark 唤醒该线程（见： AbstractQueuedSynchronizer#transferForSignal）。此时 ConditionObject#await()后半部分会开始执行。
同时，也断开该节点在ConditionWaiter链上的关系。

ReentrantReadWriteLock

同样也分公平与不公平策略, 可重入。写锁独占，读读并行、读写和写写按队列顺序串行。
ReadLock 和 WriteLock 共用同一个Sync，也就是说是在同一个AQS链上排队。
state 高16位标识 read 的数量（SHARD），低16位标识write的数量(EXCLUSIVE)。
写锁可以获取读锁，但读锁不能获取写锁！

Semaphore、CountDownLatch实现

Semaphore、CountDownLatch 里有它们自己的内部类Sync的实现，也是继承自抽象父类 AbstractQueuedSynchronizer 。不一样的是：

它俩将等待线程封装成 Node 类型是 SHARED 。
它两是非独占的 , 当 state 满足条件时，是可以依次传导向后唤醒next节点线程。

Semaphore

内部类Sync也分公平FairSync、非公平NonfairSync，区别也是：公平策略优先判定AQS链表已经有等待线程节点了，则先compareAndSetTail入链尾。

创建时 state设定初值N。

acquire(m)后state都减m；直到state无法满足需要信号量个数时, 创建等待节点入AQS链并挂起线程。

release(m)时，给state加m，接着唤醒next_node来拿信号量； next线程被唤醒后判定信号量是否满足：

不满足: 再次挂起。

满足: state再减去m，如果剩余的state>=0, 该next线程将唤醒next.next ；循环这个判定过程直到state无法满足时的那个线程会再次挂起。（见 AbstractQueuedSynchronizer#doAcquireShared -> #setHeadAndPropagate -> #doReleaseShared）

CountDownLatch

内部类Sync是 static final。

创建时state设定初值N。

A线程执行await() 时：判定 state != 0 则创建等待节点入AQS链并挂起线程。

每一次的子线程执行countDown()时： state--, 再判定若已经全部释放(state == 0) 则next_wakeup_next依次传导向下唤醒（也就是说这里会唤醒A线程）。

CyclicBarrier

private static class Generation {  boolean broken = false; }

    /** The lock for guarding barrier entry */
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** Condition to wait on until tripped */
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    private final int parties; // 屏障数
    private Generation generation = new Generation(); // 当前分代

    private int count; // 每一个分代都会重置为parties , 每个线程执行到await()时 count--
 
   public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties; 
        this.count = parties; 
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }
   // 换代
   private void nextGeneration() {
        // signal completion of last generation
        trip.signalAll();
        // set up next generation
        count = parties;
        generation = new Generation();
    }
    /**  Sets current barrier generation as broken and wakes up everyone. Called only while holding lock. */
    private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();
    }

栅栏的实现有所不同：直接使用了ReentrantLock加锁控制并发，维护计数值count的递减。

每个线程执行await()时：

先加锁，count --；
判定count != 0 时，表明还有其他线程没执行到栅栏, Condition#await() 挂起线程并释放锁；
直到客观上最后一个线程执行await()时, count将减至0，Condition.signalAll()唤醒所有挂起线程继续执行。
CyclicBarrier是可以复用的，此时会重置进入nextGeneration 。

CyclicBarrier#dowait(boolean timed, long nanos)

未完，待续。。。