AQS相关问题总结

通过对AQS及相关类的源码分析,我得到以下总结。

AQS 的底层原理

AQS是一个同步框架,内部实现了一个同步队列,在acquire/shared和release/shared方法中,经tryRelease和tryAcquire判断,对调用线程进行了入队挂起或激活抢锁操作。而判断的细节tryRelease和tryAcquire交由子类实现,以适应不同场景的需要。基于此可以实现各种各样的锁及相关工具。

对于 CountDownLatch 和 CyclicBarrier,semaphore的认识

countDownLatch和semaphore 通过内部类继承于AQS,实现了tryAcquireshare和tryReleaseShare方法,通过控制state字段值,进行线程的入队和出队操作。countDown 的countdown方法将state进行单向减,到0时激活同步队列中await线程。semaphore,可以通过acquire和release对state值进行增减,acquire时如果state等于0等入队,当release时激活同步队列进行出队。
cyclicBarrier并没有使用内部类继承AQS,而是使用ReentrantLock和condition进行资源的锁定和释放。
countDownLatch 是递减一次性的,用于主线程等待子线程。
cyclicBarrier 可以循环使用,用于多个线程相互等待。
semaphore 可以增减,用于维持最多n的线程同时进行,类似于令牌桶。

欢迎探讨。

<think>我们正在讨论的是AQS(AbstractQueuedSynchronizer)中的CLH队列如何避免ABA问题。ABA问题通常发生在CAS(Compare and Swap)操作中:一个值原来是A,被改为B,然后又改回A,那么CAS操作会误认为它没有被修改过。在并发环境中,这可能导致数据一致。 然而,在AQS的CLH队列实现中,实际上并没有直接使用传统的ABA问题解决方案(如版本号或标记)。这是因为AQS的CLH队列节点(Node)中的“waitStatus”状态以及队列的入队和出队操作设计,使得节点在队列中的状态变化会引起ABA问题。具体原因如下: 1. **节点是可重用的**:在AQS中,当一个节点被设置为头节点(head)后,它的next指针会被置空(即断开与后续节点的链接),并且该节点会被再次放入队列中(即节点会重复使用)。因此,每个节点在队列中只出现一次,会出现一个节点被移除后又重新加入队列的情况(即会出现同一个节点地址从A变成B又变回A的情况)。 2. **入队操作是原子的**:AQS通过CAS操作来将新节点设置为尾节点(tail),这个操作是原子的。在入队操作中,我们只关心当前尾节点的next指针是否成功指向新节点,以及新节点是否成为新的尾节点。由于每个新节点都是新创建的(地址同),所以即使同一个线程多次入队,每次入队的节点也是同的。因此,会出现同一个节点地址被重复使用的情况。 3. **节点状态(waitStatus)的变化**:节点状态的变化是通过CAS操作来保证的。例如,当需要取消一个节点时,会使用CAS将节点的waitStatus设置为CANCELLED。由于状态的变化是原子的,并且节点状态的变化会导致节点的地址改变,所以即使节点的状态从0变成CANCELLED,也会出现ABA问题,因为CAS操作在比较节点状态时,仅比较状态值,还比较节点的地址(因为CAS操作的对象是节点的某个属性,而是节点本身的重用)。 4. **出队操作**:当头节点释放锁时,它会唤醒后继节点。后继节点在尝试获取锁时,会将自己设置为新的头节点(通过setHead方法)。setHead方法会将当前节点设置为头节点,并将节点的thread引用置为null,同时prev指针也置为null。这样,旧的头节点就从队列中脱离了,并且会再被使用。 因此,在AQS的CLH队列中,由于每个节点都是唯一的(会重复使用),所以即使节点的状态发生变化,也会出现ABA问题。因为CAS操作的目标是节点的状态(或指针)的改变,而节点本身在队列中的生命周期是线性的(创建、使用、然后脱离队列,最终被垃圾回收),会出现循环使用的情况。 但是,我们需要注意的是,AQS中并没有使用类似AtomicStampedReference那样的带标记的引用类型来避免ABA问题,因为它的设计已经避免了节点重复使用的问题。 引用说明: 在引用[2]中提到,Java提供了AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference来处理ABA问题,但AQS并没有使用这些类,而是通过上述设计避免了ABA问题。 因此,总结来说,CLH队列在AQS中避免ABA问题的机制是: - 每个节点只使用一次,会重复进入队列。 - 通过原子操作(CAS)来更新节点的状态和队列的指针,确保状态变化的原子性。 - 节点的生命周期由队列管理,一旦成为头节点并释放,就会再被使用。 所以,在AQS的CLH队列实现中,ABA问题被自然避免了。 相关问题: 1. AQS中CLH队列的节点状态(waitStatus)有哪些?它们分别代表什么含义? 2. AQS中如何保证入队和出队操作的线程安全? 3. 除了ABA问题,CAS操作还可能遇到哪些问题AQS是如何应对的? 4. 为什么AQS选择使用CLH变种队列而是原始的CLH队列?</think>### CLH队列在AQS中避免ABA问题的机制 在AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的CLH队列实现中,ABA问题主要通过以下设计解决: #### 1. **节点唯一性与状态标识** - **可重用节点**:每个入队线程会创建**全新的Node对象**(包含当前线程引用),节点出队后会被复用[^2][^3]。 - **状态标记**:节点通过`waitStatus`字段(如`CANCELLED`/`SIGNAL`)记录状态变化,确保即使节点地址相同,状态变化也能被检测: ```java static final class Node { volatile int waitStatus; // 状态标记(核心防ABA机制) volatile Node prev; volatile Node next; volatile Thread thread; // 绑定唯一线程 } ``` #### 2. **CAS操作的原子性保障** - **指针更新原子性**:入队/出队操作通过`compareAndSetTail()`等**原子CAS指令**更新队列指针,确保: - 尾节点`tail`的更新是原子的 - 前驱节点`prev`的链接是原子的 ```java private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update); } ``` #### 3. **队列结构的内在防护** - **双向链表验证**:每个节点同时维护`prev`和`next`指针,线程操作时必须**同时验证前驱和后继节点**的连续性[^1][^3]。 - **头尾指针监控**:队列头(`head`)和尾(`tail`)均为`volatile`变量,任何修改对其他线程立即可见,防止过期快照: ```java private transient volatile Node head; // volatile保证可见性 private transient volatile Node tail; // volatile保证可见性 ``` #### 4. **状态变迁的可逆性** - **单向状态迁移**:`waitStatus`状态仅允许向特定方向变化(如`0` → `SIGNAL` → `CANCELLED`),**禁止状态回退**[^2]。 - **取消检测**:线程在获取锁前会检查前驱节点的`waitStatus`,若为`CANCELLED`则跳过无效节点[^3]。 --- ### 避免ABA问题的关键设计对比 | **机制** | **作用** | **ABA防护原理** | |-------------------------|--------------------------------------------------------------------------|-------------------------------------| | **节点可重用** | 每次入队创建新Node对象 | 物理地址同,自然避免地址复用 | | **waitStatus状态标记** | 记录节点生命周期状态(如CANCELLED) | 状态变化相当于隐式版本号 | | **双向链表验证** | 操作时需同时验证prev/next指针 | 破坏ABA发生的必要条件(孤立节点) | | **volatile头尾指针** | 保证多线程间状态可见性 | 防止线程使用过期队列快照 | > 💡 **本质**:通过**节点对象可重用** + **状态标记** + **双向验证**,将ABA问题转化为**节点有效性检测问题**,无需额外版本号[^2][^3]。 --- ### 相关问题 1. 为什么CLH队列需要设计为双向链表而非单向链表? 2. AQS中`waitStatus`的状态迁移规则具体如何定义? 3. 除ABA问题外,CLH队列如何解决并发环境下的竞态条件? 4. Java中`volatile`关键字在AQS中发挥了哪些关键作用? [^1]: 通过缓存行对齐和CAS原子操作确保指针更新的安全性 [^2]: 节点状态标记(`waitStatus`)实现隐式版本控制 [^3]: 双向链表结构和头尾指针监控提供连续性验证
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值