作者： 一字馬胡
轉載標志 【2017-11-03】
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AbstractQueuedSynchronizer概述
AbstractQueuedSynchronizer是java中非常重要的一個框架類，它實現了最核心的多線程同步的語義，我們只要繼承AbstractQueuedSynchronizer就可以非常方便的實現我們自己的線程同步器，java中的鎖Lock就是基于AbstractQueuedSynchronizer來實現的。下面首先展示了AbstractQueuedSynchronizer類提供的一些方法：
在類結構上，AbstractQueuedSynchronizer繼承了AbstractOwnableSynchronizer，AbstractOwnableSynchronizer僅有的兩個方法是提供當前獨占模式的線程設置：
/**
* 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代表的是當前獲得同步的線程，因為是獨占模式，在exclusiveOwnerThread持有同步的過程中其他的線程的任何同步獲取請求將不能得到滿足。
至此，需要說明的是，AbstractQueuedSynchronizer不僅支持獨占模式下的同步實現，還支持共享模式下的同步實現。在java的鎖的實現上就有共享鎖和獨占鎖的區別，而這些實現都是基于AbstractQueuedSynchronizer對于共享同步和獨占同步的支持。從上面展示的AbstractQueuedSynchronizer提供的方法中，我們可以發現AbstractQueuedSynchronizer的API大概分為三類：
- 類似acquire(int)的一類是最基本的一類，不可中斷
- 類似acquireInterruptibly(int)的一類可以被中斷
- 類似tryAcquireNanos(int, long)的一類不僅可以被中斷，而且可以設置阻塞時間
上面的三種類型的API分為獨占和共享兩套，我們可以根據我們的需求來使用合適的API來做多線程同步。
下面是一個繼承AbstractQueuedSynchronizer來實現自己的同步器的一個示例：
*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實現的功能是：使用0來代表可以獲得同步變量，使用1來代表需要等待同步變量被釋放再獲取，這是一個簡單的獨占鎖實現，任何時刻只會有一個線程獲得鎖，其他請求獲取鎖的線程都會阻塞等待直到鎖被釋放，等待的線程將再次競爭來獲得鎖。Mutex給了我們很好的范例，我們要實現自己的線程同步器，那么就繼承AbstractQueuedSynchronizer實現其三個抽象方法，然后使用該實現類來做lock和unlock的操作，可以發現，AbstractQueuedSynchronizer框架為我們鋪平了道路，我們只需要做一點點改變就可以實現高效安全的線程同步去，下文中將分析AbstractQueuedSynchronizer是如何為我么提供如此強大得同步能力的。
AbstractQueuedSynchronizer實現細節
獨占模式
AbstractQueuedSynchronizer使用一個volatile類型的int來作為同步變量，任何想要獲得鎖的線程都需要來競爭該變量，獲得鎖的線程可以繼續業務流程的執行，而沒有獲得鎖的線程會被放到一個FIFO的隊列中去，等待再次競爭同步變量來獲得鎖。AbstractQueuedSynchronizer為每個沒有獲得鎖的線程封裝成一個Node再放到隊列中去，下面先來分析一下Node這個數據結構：
/** 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定義的四個狀態，需要注意的是只有一個狀態是大于0的，也就是CANCELLED，也就是被取消了，不需要為此線程協調同步變量的競爭了。其他幾個的意義見注釋。上一小節說到，AbstractQueuedSynchronizer提供獨占式和共享式兩種模式，AbstractQueuedSynchronizer使用下面的兩個變量來標志是共享還是獨占模式：
/** 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使用了一個變量nextWaiter來代表兩種含義，當在獨占模式下，nextWaiter表示下一個等在ConditionObject上的Node，在共享模式下就是SHARED，因為對于任何一個同步器來說，都不可能同時實現共享和獨占兩種模式的，更為專業的解釋為：
/**
* 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使用雙向鏈表來管理請求同步的Node，保存了鏈表的head和tail，新的Node將會被插到鏈表的尾端，而鏈表的head總是代表著獲得鎖的線程，鏈表頭的線程釋放了鎖之后會通知后面的線程來競爭共享變量。下面分析一下AbstractQueuedSynchronizer是如何實現獨占模式下的acquire和release的。
首先，使用方法acquire(int)可以競爭同步變量，下面是調用鏈路：
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);
}
}
首先會調用方法tryAcquire來嘗試獲的鎖，而tryAcquire這個方法是需要子類來實現的，子類的實現無非就是通過compareAndSetState、getState、setState三個方法來操作同步變量state，子類的方法實現需要根據各自的需求場景來實現。繼續分析上面的acquire流程，如果tryAcquire返回true了，也就是成功改變了state的值了，也就是獲得了同步鎖了，那么就可以退出了。如果返回false，說明有其他的線程獲得鎖了，這個時候AbstractQueuedSynchronizer會使用addWaiter將當前線程添加到等待隊列的尾部等待再次競爭。需要注意的是將當前線程標記為了獨占模式。然后重頭戲來了，方法acquireQueued使得新添加的Node在一個for死循環中不斷的輪詢，也就是自旋，acquireQueued方法退出的條件是：
- 該節點的前驅節點是頭結點，頭結點代表的是獲得鎖的節點，只有它釋放了state其他線程才能獲得這個變量的所有權
- 在條件1的前提下，方法tryAcquire返回true，也就是可以獲得同步資源state
滿足上面兩個條件之后，這個Node就會獲得鎖，根據AbstractQueuedSynchronizer的規定，獲得鎖的Node必須是鏈表的頭結點，所以，需要將當前節點設定為頭結點。那如果不符合上面兩個條件的Node會怎么樣呢？看for循環里面的第二個分支，首先是shouldParkAfterFailedAcquire方法，看名字應該是說判斷是否應該park當前該線程，然后是方法parkAndCheckInterrupt，這個方法是在shouldParkAfterFailedAcquire返回true的前提之下才會之下，意思就是首先判斷一下是否需要park該Node，如果需要，那么就park它。關于線程的park和unpark，AbstractQueuedSynchronizer使用了偏向底層的技術來實現，在此先不做分析。現在來分析一下再什么情況下Node會被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;
}
可以發現，只有當Node的前驅節點的狀態為Node.SIGNAL的時候才會返回true，也就是說，只有當前驅節點的狀態變為了Node.SIGNAL，才會去通知當前節點，所以如果前驅節點是Node.SIGNAL的，那么當前節點就可以放心的park就好了，前驅節點在完成工作之后在釋放資源的時候會unpark它的后繼節點。下面看一下release的過程：
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);
}
首先通過tryRelease方法來保證資源安全完整的釋放了之后，如果發現節點的狀態小于0，會變為0。0代表的是初始化的狀態，當前的線程已經完成了工作，釋放了鎖，就要恢復原來的樣子。然后會獲取該節點的后繼節點，如果沒有后續節點了，或者后繼節點已經被取消了，那么從尾部開始向前找第一個符合要求的節點，然后unpark它。
上面介紹了一對acquire-release，如果希望線程可以在競爭的時候被中斷，可以使用acquireInterruptibly。如果希望加上獲取鎖的時間限制，可以使用tryAcquireNanos(int, long)方法來獲取。
共享模式
和獨占模式一樣，分析一下acquireShared的過程：
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);
}
}
獲取鎖的流程如下：
- 嘗試使用tryAcquireShared方法，如果返回值大于等于0則表示成功，否則運行doAcquireShared方法
- 將當前競爭同步的線程添加到鏈表尾部，然后自旋
- 獲取前驅節點，如果前驅節點是頭節點，也就是說前驅節點現在持有鎖，那么繼續運行4，否則park該節點等待被unpark
- 使用tryAcquireShared方法來競爭，如果返回值大于等于0，那么就算是獲取成功了，否則繼續自旋嘗試
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);
}
首先嘗試使用tryReleaseShared方法來釋放資源，如果釋放失敗，則返回false，如果釋放成功了，那么繼續執行doReleaseShared方法喚醒后續節點來競爭資源。需要注意的是，共享模式和獨占模式的區別在于，獨占模式只允許一個線程獲得資源，而共享模式允許多個線程獲得資源。所以在獨占模式下只有當tryAcquire返回true的時候我們才能確定獲得資源了，而在共享模式下，只要tryAcquireShared返回值大于等于0就可以說明獲得資源了，所以你要確保你需要實現的需求和AbstractQueuedSynchronizer希望的是一致的。
桶獨占模式一樣，共享模式也有其他的兩種API：
- acquireSharedInterruptibly：支持相應中斷的資源競爭
- tryAcquireSharedNanos：可以設定時間的資源競爭
本文大概描述了AbstractQueuedSynchronizer框架的一些基本情況，具體的細節沒有深究，但是AbstractQueuedSynchronizer作為Java中鎖實現的底層支撐，需要好好研究一下，后續會基于AbstractQueuedSynchronizer來分析java中各種鎖的實現。
