【9036期】JUC多线程---AQS抽象队列同步器原理

[9036期] JUC多线程- AQS抽象队列同步器原理

AQS的工作原则

什么是 AQS

s，抽象排队同步器，抽象队列同步器,是J.U.C .中锁定和同步组件的基础，工作原理是如果被请求的共享资源空闲，则将当前被请求资源的线程设置为有效工作线程，并将共享资源设置为锁定状态。如果请求的共享资源被占用，那么无法获得锁的线程将被添加到等待队列中。此时，当线程阻塞等待和唤醒时，我们需要一个锁分配机制，而 AQS 是通过 CLH 队列实现锁分配的机制.

CLH 同步队列的模型

CLH队列是一个由内部类Nodes组成的同步队列，是一个双向队列(没有队列实例，只有Nodes之间的关系)。将请求共享资源的线程封装为一个节点节点，实现锁分配。同时，内部类ConditionObject用于构造等待队列。当调用ConditionObject的await()方法时，线程将加入等待队列。当调用ConditionObject的signal()方法时，线程将从等待队列移动到同步队列进行锁竞争。AQS只能有一个同步队列，但可以有多个等待队列。AQS CLH同步队列模型如下：

AQ有三个主要变量，即头、尾和状态，其中头指向同步队列的头，注意头是一个空节点，不存储信息。尾部是同步队列的尾部，为了方便查找队列，同步队列采用双向链表的结构。当Node节点设置为head时，其线程信息和前置节点都会被清除，因为线程已经获取了同步状态，正在执行，所以不需要存储相关信息。head只需要保存后继节点的指针，便于head节点在释放同步状态后唤醒后继节点。

的入队和出队操作是无锁操作。基于CAS自旋锁的实现，AQS保持一个易失性修改的int型状态同步状态。volatile保证线程之间的可见性，通过CAS对同步状态进行原子操作，修改其值。当state=0时，意味着没有线程持有共享资源的锁。当state=1时，意味着一些线程当前正在使用共享变量，其他线程必须加入同步队列等待。

内部类节点数据结构分析

静态最终类节点

//共享模式

静态最终节点SHARED=new Node()；

//独占模式

静态最终节点EXCLUSIVE=null

//标识线程处于结束状态。

静态最终int CANCELED=1；

//等待被唤醒

静态最终int SIGNAL=-1；

//条件状态

静态最终int CONDITION=-2；

//通过使用共享模式中的表示获得的同步状态将被传播。

静态最终int PROPACT=-3；

//等待状态，有取消、信号、条件和传播四个值。

可变整数等待状态；

//同步队列中的前置节点

易失节点前一个；

//同步队列中的后续节点

易失节点下一个；

//请求锁定的线程

线程易失性线程；

//等待队列中的后续节点，与条件相关，稍后分析。

节点下一个服务员；

//确定是否为共享模式。

最终布尔值Isshared(){ 0

return nextWaiter==SHARED

}

//.

}

AQS可以分为两种模式：独占模式和共享模式。例如，可重入锁和循环屏障是基于独占模式实现的，而信号量和计数监视是基于共享模式实现的。

waitStatus变量指示当前封装为节点节点的线程的等待状态，有四个值：取消、信号、条件和传播：

取消：值为1表示在同步队列中等待的线程已经超时或被中断，并且处于结束状态，因此需要从同步队列中删除Node节点。

信号：值-1表示

继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为 SIGNAL，当该节点释放了同步锁之后，就会唤醒该节点的后继节点

AQS 的设计模式

AQS 的模板方法模式

AQS 的基于模板方法模式设计的，在 AQS 抽象类中已经实现了线程在等待队列的维护方式（如获取资源失败入队/唤醒出队等），而对于具体共享资源 state 的获取与释放（也就是锁的获取和释放）则交由具体的同步器来实现，具体的同步器需要实现以下几种方法：

• 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)：独占模式，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，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false

JUC 中提供的同步器

• 闭锁 CountDownLatch：用于让主线程等待一组事件全部发生后继续执行。
• 栅栏 CyclicBarrier：用于等待其它线程，且会阻塞自己当前线程，所有线程必须全部到达栅栏位置后，才能继续执行；且在所有线程到达栅栏处之后，可以触发执行另外一个预先设置的线程。
• 信号量 Semaphore：用于控制访问资源的线程个数，常常用于实现资源池，如数据库连接池，线程池。在 Semaphore 中，acquire 方法用于获取资源，有的话，继续执行
• 没有资源的话将阻塞直到有其它线程调用 release 方法释放资源；
• 交换器 Exchanger：用于线程之间进行数据交换；当两个线程都到达共同的同步点（都执行到exchanger.exchange 的时刻）时，发生数据交换，否则会等待直到其它线程到达；

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的区别

两者都可以用来表示代码运行到某个点上，二者的区别在于：

① CyclicBarrier 的某个线程运行到某个位置之后就停止运行，直到所有的线程都到达了这个点，所有线程才重新运行；CountDownLatch 的某线程运行到某个位置之后，只是给计数值-1而已，该线程继续运行；

② CyclicBarrier 可重用，CountDownLatch 不可重用，计数值 为 0 时该 CountDownLatch 就不可再用了。

ReentranLock 中独占模式下非公平锁的获取流程

获取独占锁的过程是定义在 tryAcquire() 中的，当前线程尝试获取同步状态，如果获取失败，就将线程封装成 Node 节点插入到 CLH 同步队列中。插入同步队列后，线程并没有放弃获取同步状态，而是根据前置节点状态状态判断是否继续获取，如果前置节点是 head 结点，继续尝试获取，否则就将线程挂起。如果成功获取同步状态则将自己设置为 head 结点。当持有同步状态的线程释放资源后，也会唤醒队列中的后继线程。

ConditionObject 阻塞队列

什么是 Condition 接口

AQS 的阻塞队列是基于内部类 ConditionObject 实现的，而 ConditionObject 实现了 Condition 接口。那 Condition 接口是什么呢Condition 主要用于线程的等待和唤醒，在JDK5之前，线程的等待唤醒是用 Object 类的 wait/notify/notifyAll 方法实现的，这些方法必须配合 synchronized 关键字使用，使用起来不是很方便，为了解决这个问题，在 JDK5 之后，J.U.C 提供了Condition。

• Condition.await 对应于 Object.wait;
• Condition.signal 对应于 Object.notify；
• Condition.signalAll 对应于 Object.notifyAll；

与 synchronized 的等待唤醒机制相比，Condition 能够精细的控制多线程的休眠与唤醒，具备更多的灵活性， 通过多个 Condition 实例对象建立不同的等待队列，从而实现同一个锁拥有多个等待队列。而 synchronized 关键字只能有一组等待唤醒队列，使用 notify() 唤醒线程时只能随机唤醒队列中的一个线程。

ConditionObject 阻塞队列实现原理

Condition 的具体实现之一是 AQS 的内部类 ConditionObject，每个 Condition 都对应着一个等待队列，也就是说如果一个锁上创建了多个 Condition 对象，那么也就存在多个等待队列。当调用 ConditionObject 的 await() 方法后，线程将会加入等待队列中，当调用 ConditionObject 的 signal() 方法后，线程将从等待队列转移动同步队列中进行锁竞争。AQS 的 ConditionObject 中的等待队列模型如下：

AQS 的线程唤醒机制原理

AQS 的线程唤醒是通过 singal() 方法实现的，我们先看下 singal() 方法线程唤醒的流程图：

signal() 方法主要调用了 doSignal()，而 doSignal() 方法中做了两件事：

（1）从条件等待队列移除被唤醒的节点，然后重新维护条件等待队列的 firstWaiter 和 lastWaiter 的指向。
（2）将从等待队列移除的结点加入同步队列（在 transferForSignal() 方法中完成的），如果进入到同步队列失败并且条件等待队列还有不为空的节点，则继续循环唤醒后续其他结点的线程。

注意：无论是同步队列还是等待队列，使用的 Node 数据结构都是同一个，不过是使用的内部变量不同罢了

所以 signal() 的流程可以概述为：

• signal() 被调用后，先判断当前线程是否持有独占锁
• 如果有，那么唤醒当前 Condition 等待队列的第一个结点的线程，并从等待队列中移除该结点，添加到同步队列中
• 如果加入同步队列失败，那么继续循环唤醒等待队列中的其他结点的线程
• 如果成功加入同步队列，那么如果其前驱结点已结束或者设置前驱节点状态为 Node.SIGNAL 状态失败，则通过 LockSupport.unpark() 唤醒被通知节点代表的线程。

到此 signal() 任务完成，被唤醒后的线程，将调用 AQS 的 acquireQueued() 方法加入获取同步状态的竞争中，这就是等待唤醒机制的整个流程实现原理。