Java同步框架AbstractQueuedSynchronizer详解

AbstractQueuedSynchronizer概述

AbstractQueuedSynchronizer是java中非常重要的一个框架类，它实现了最核心的多线程同步的语义，我们只要继承AbstractQueuedSynchronizer就可以非常方便的实现我们自己的线程同步器，java中的锁Lock就是基于AbstractQueuedSynchronizer来实现的。下面首先展示了AbstractQueuedSynchronizer类提供的一些方法：

AbstractQueuedSynchronizer类方法

在类结构上，AbstractQueuedSynchronizer继承了AbstractOwnableSynchronizer，AbstractOwnableSynchronizer仅有的两个方法是提供当前独占模式的线程设置：

  /**
   * The current owner of exclusive mode synchronization.
   */
  private transient Thread exclusiveOwnerThread;

  /**
   * Sets the thread that currently owns exclusive access.
   * A {@code null} argument indicates that no thread owns access.
   * This method does not otherwise impose any synchronization or
   * {@code volatile} field accesses.
   * @param thread the owner thread
   */
  protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
    exclusiveOwnerThread = thread;
  }

  /**
   * Returns the thread last set by {@code setExclusiveOwnerThread},
   * or {@code null} if never set. This method does not otherwise
   * impose any synchronization or {@code volatile} field accesses.
   * @return the owner thread
   */
  protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
    return exclusiveOwnerThread;
  }

exclusiveOwnerThread代表的是当前获得同步的线程，因为是独占模式，在exclusiveOwnerThread持有同步的过程中其他的线程的任何同步获取请求将不能得到满足。

至此，需要说明的是，AbstractQueuedSynchronizer不仅支持独占模式下的同步实现，还支持共享模式下的同步实现。在java的锁的实现上就有共享锁和独占锁的区别，而这些实现都是基于AbstractQueuedSynchronizer对于共享同步和独占同步的支持。从上面展示的AbstractQueuedSynchronizer提供的方法中，我们可以发现AbstractQueuedSynchronizer的API大概分为三类：

• 类似acquire(int)的一类是最基本的一类，不可中断
• 类似acquireInterruptibly(int)的一类可以被中断
• 类似tryAcquireNanos(int, long)的一类不仅可以被中断，而且可以设置阻塞时间

上面的三种类型的API分为独占和共享两套，我们可以根据我们的需求来使用合适的API来做多线程同步。

下面是一个继承AbstractQueuedSynchronizer来实现自己的同步器的一个示例：

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {

  // Our internal helper class
  private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   // Reports whether in locked state
   protected boolean isHeldExclusively() {
    return getState() == 1;
   }

   // Acquires the lock if state is zero
   public boolean tryAcquire(int acquires) {
    assert acquires == 1; // Otherwise unused
    if (compareAndSetState(0, 1)) {
     setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
     return true;
    }
    return false;
   }

   // Releases the lock by setting state to zero
   protected boolean tryRelease(int releases) {
    assert releases == 1; // Otherwise unused
    if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
    setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(0);
    return true;
   }

   // Provides a Condition
   Condition newCondition() { return new ConditionObject(); }

   // Deserializes properly
   private void readObject(ObjectInputStream s)
     throws IOException, ClassNotFoundException {
    s.defaultReadObject();
    setState(0); // reset to unlocked state
   }
  }

  // The sync object does all the hard work. We just forward to it.
  private final Sync sync = new Sync();

  public void lock()        { sync.acquire(1); }
  public boolean tryLock()     { return sync.tryAcquire(1); }
  public void unlock()       { sync.release(1); }
  public Condition newCondition()  { return sync.newCondition(); }
  public boolean isLocked()     { return sync.isHeldExclusively(); }
  public boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); }
  public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
   sync.acquireInterruptibly(1);
  }
  public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
   return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
  }
 }}

Mutex实现的功能是：使用0来代表可以获得同步变量，使用1来代表需要等待同步变量被释放再获取，这是一个简单的独占锁实现，任何时刻只会有一个线程获得锁，其他请求获取锁的线程都会阻塞等待直到锁被释放，等待的线程将再次竞争来获得锁。Mutex给了我们很好的范例，我们要实现自己的线程同步器，那么就继承AbstractQueuedSynchronizer实现其三个抽象方法，然后使用该实现类来做lock和unlock的操作，可以发现，AbstractQueuedSynchronizer框架为我们铺平了道路，我们只需要做一点点改变就可以实现高效安全的线程同步去，下文中将分析AbstractQueuedSynchronizer是如何为我么提供如此强大得同步能力的。

AbstractQueuedSynchronizer实现细节

独占模式

AbstractQueuedSynchronizer使用一个volatile类型的int来作为同步变量，任何想要获得锁的线程都需要来竞争该变量，获得锁的线程可以继续业务流程的执行，而没有获得锁的线程会被放到一个FIFO的队列中去，等待再次竞争同步变量来获得锁。AbstractQueuedSynchronizer为每个没有获得锁的线程封装成一个Node再放到队列中去，下面先来分析一下Node这个数据结构：

    /** 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;

上面展示的是Node定义的四个状态，需要注意的是只有一个状态是大于0的，也就是CANCELLED，也就是被取消了，不需要为此线程协调同步变量的竞争了。其他几个的意义见注释。上一小节说到，AbstractQueuedSynchronizer提供独占式和共享式两种模式，AbstractQueuedSynchronizer使用下面的两个变量来标志是共享还是独占模式：

    /** 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;

有趣的是，Node使用了一个变量nextWaiter来代表两种含义，当在独占模式下，nextWaiter表示下一个等在ConditionObject上的Node，在共享模式下就是SHARED，因为对于任何一个同步器来说，都不可能同时实现共享和独占两种模式的，更为专业的解释为：

    /**
     * Link to next node waiting on condition, or the special
     * value SHARED. Because condition queues are accessed only
     * when holding in exclusive mode, we just need a simple
     * linked queue to hold nodes while they are waiting on
     * conditions. They are then transferred to the queue to
     * re-acquire. And because conditions can only be exclusive,
     * we save a field by using special value to indicate shared
     * mode.
     */
    Node nextWaiter;

AbstractQueuedSynchronizer使用双向链表来管理请求同步的Node，保存了链表的head和tail，新的Node将会被插到链表的尾端，而链表的head总是代表着获得锁的线程，链表头的线程释放了锁之后会通知后面的线程来竞争共享变量。下面分析一下AbstractQueuedSynchronizer是如何实现独占模式下的acquire和release的。

首先，使用方法acquire(int)可以竞争同步变量，下面是调用链路：

  public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
      acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
      selfInterrupt();
  }

  private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
      node.prev = pred;
      if (compareAndSetTail(pred, node)) {
        pred.next = node;
        return node;
      }
    }
    enq(node);
    return node;
  }

  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)) {
          setHead(node);
          p.next = null; // help GC
          failed = false;
          return interrupted;
        }
        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
          parkAndCheckInterrupt())
          interrupted = true;
      }
    } finally {
      if (failed)
        cancelAcquire(node);
    }
  } 

首先会调用方法tryAcquire来尝试获的锁，而tryAcquire这个方法是需要子类来实现的，子类的实现无非就是通过compareAndSetState、getState、setState三个方法来操作同步变量state，子类的方法实现需要根据各自的需求场景来实现。继续分析上面的acquire流程，如果tryAcquire返回true了，也就是成功改变了state的值了，也就是获得了同步锁了，那么就可以退出了。如果返回false，说明有其他的线程获得锁了，这个时候AbstractQueuedSynchronizer会使用addWaiter将当前线程添加到等待队列的尾部等待再次竞争。需要注意的是将当前线程标记为了独占模式。然后重头戏来了，方法acquireQueued使得新添加的Node在一个for死循环中不断的轮询，也就是自旋，acquireQueued方法退出的条件是：

1. 该节点的前驱节点是头结点，头结点代表的是获得锁的节点，只有它释放了state其他线程才能获得这个变量的所有权
2. 在条件1的前提下，方法tryAcquire返回true，也就是可以获得同步资源state

满足上面两个条件之后，这个Node就会获得锁，根据AbstractQueuedSynchronizer的规定，获得锁的Node必须是链表的头结点，所以，需要将当前节点设定为头结点。那如果不符合上面两个条件的Node会怎么样呢？看for循环里面的第二个分支，首先是shouldParkAfterFailedAcquire方法，看名字应该是说判断是否应该park当前该线程，然后是方法parkAndCheckInterrupt，这个方法是在shouldParkAfterFailedAcquire返回true的前提之下才会之下，意思就是首先判断一下是否需要park该Node，如果需要，那么就park它。关于线程的park和unpark，AbstractQueuedSynchronizer使用了偏向底层的技术来实现，在此先不做分析。现在来分析一下再什么情况下Node会被park（block）：

  private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
      /*
       * This node has already set status asking a release
       * to signal it, so it can safely park.
       */
      return true;
    if (ws > 0) {
      /*
       * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
       * indicate retry.
       */
      do {
        node.prev = pred = pred.prev;
      } while (pred.waitStatus > 0);
      pred.next = node;
    } else {
      /*
       * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
       * need a signal, but don't park yet. Caller will need to
       * retry to make sure it cannot acquire before parking.
       */
      compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
  }

可以发现，只有当Node的前驱节点的状态为Node.SIGNAL的时候才会返回true，也就是说，只有当前驱节点的状态变为了Node.SIGNAL，才会去通知当前节点，所以如果前驱节点是Node.SIGNAL的，那么当前节点就可以放心的park就好了，前驱节点在完成工作之后在释放资源的时候会unpark它的后继节点。下面看一下release的过程：

  public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
      Node h = head;
      if (h != null && h.waitStatus != 0)
        unparkSuccessor(h);
      return true;
    }
    return false;
  }

  private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
     * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
     * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
     * fails or if status is changed by waiting thread.
     */
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
      compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    /*
     * Thread to unpark is held in successor, which is normally
     * just the next node. But if cancelled or apparently null,
     * traverse backwards from tail to find the actual
     * non-cancelled successor.
     */
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
      s = null;
      for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
        if (t.waitStatus <= 0)
          s = t;
    }
    if (s != null)
      LockSupport.unpark(s.thread);
  }

首先通过tryRelease方法来保证资源安全完整的释放了之后，如果发现节点的状态小于0，会变为0。0代表的是初始化的状态，当前的线程已经完成了工作，释放了锁，就要恢复原来的样子。然后会获取该节点的后继节点，如果没有后续节点了，或者后继节点已经被取消了，那么从尾部开始向前找第一个符合要求的节点，然后unpark它。

上面介绍了一对acquire-release，如果希望线程可以在竞争的时候被中断，可以使用acquireInterruptibly。如果希望加上获取锁的时间限制，可以使用tryAcquireNanos(int, long)方法来获取。

共享模式

和独占模式一样，分析一下acquireShared的过程：

  public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
      doAcquireShared(arg);
  }

  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);
          if (r >= 0) {
            setHeadAndPropagate(node, r);
            p.next = null; // help GC
            if (interrupted)
              selfInterrupt();
            failed = false;
            return;
          }
        }
        if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
          parkAndCheckInterrupt())
          interrupted = true;
      }
    } finally {
      if (failed)
        cancelAcquire(node);
    }
  }

获取锁的流程如下：

1. 尝试使用tryAcquireShared方法，如果返回值大于等于0则表示成功，否则运行doAcquireShared方法
2. 将当前竞争同步的线程添加到链表尾部，然后自旋
3. 获取前驱节点，如果前驱节点是头节点，也就是说前驱节点现在持有锁，那么继续运行4，否则park该节点等待被unpark
4. 使用tryAcquireShared方法来竞争，如果返回值大于等于0，那么就算是获取成功了，否则继续自旋尝试

共享模式下的release流程：

  public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
      doReleaseShared();
      return true;
    }
    return false;
  }

  private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
      Node h = head;
      if (h != null && h != tail) {
        int ws = h.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL) {
          if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
            continue;      // loop to recheck cases
          unparkSuccessor(h);
        }
        else if (ws == 0 &&
             !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
          continue;        // loop on failed CAS
      }
      if (h == head)          // loop if head changed
        break;
    }
  }  

  private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
      compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
      s = null;
      for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
        if (t.waitStatus <= 0)
          s = t;
    }
    if (s != null)
      LockSupport.unpark(s.thread);
  }

首先尝试使用tryReleaseShared方法来释放资源，如果释放失败，则返回false，如果释放成功了，那么继续执行doReleaseShared方法唤醒后续节点来竞争资源。需要注意的是，共享模式和独占模式的区别在于，独占模式只允许一个线程获得资源，而共享模式允许多个线程获得资源。所以在独占模式下只有当tryAcquire返回true的时候我们才能确定获得资源了，而在共享模式下，只要tryAcquireShared返回值大于等于0就可以说明获得资源了，所以你要确保你需要实现的需求和AbstractQueuedSynchronizer希望的是一致的。

桶独占模式一样，共享模式也有其他的两种API：

• acquireSharedInterruptibly：支持相应中断的资源竞争
• tryAcquireSharedNanos：可以设定时间的资源竞争

本文大概描述了AbstractQueuedSynchronizer框架的一些基本情况，具体的细节没有深究，但是AbstractQueuedSynchronizer作为Java中锁实现的底层支撑，需要好好研究一下，后续会基于AbstractQueuedSynchronizer来分析java中各种锁的实现。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。