深度解析Java8 – AbstractQueuedSynchronizer的实现分析(下)

AQS共享功能的实现
     在开始解读AQS的共享功能前,我们再重温一下CountDownLatch,CountDownLatch为java.util.concurrent包下的计数器工具类,常被用在多线程环境下,它在初始时需要指定一个计数器的大小,然后可被多个线程并发的实现减1操作,并在计数器为0后调用await方法的线程被唤醒,从而实现多线程间的协作。它在多线程环境下的基本使用方式为:
 //main thread
      // 新建一个CountDownLatch,并制定一个初始大小
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
      // 调用await方法后,main线程将阻塞在这里,直到countDownLatch 中的计数为0      
      countDownLatch.await();
      System.out.println("over");

     //thread1
     // do something 
     //...........
     //调用countDown方法,将计数减1
      countDownLatch.countDown();

     //thread2
     // do something 
     //...........
     //调用countDown方法,将计数减1
      countDownLatch.countDown();

       //thread3
     // do something 
     //...........
     //调用countDown方法,将计数减1
      countDownLatch.countDown();

注意,线程thread 1,2,3各自调用 countDown后,countDownLatch 的计数为0,await方法返回,控制台输入“over”,在此之前main thread 会一直沉睡。

可以看到CountDownLatch的作用类似于一个“栏栅”,在CountDownLatch的计数为0前,调用await方法的线程将一直阻塞,直到CountDownLatch计数为0,await方法才会返回,

而CountDownLatch的countDown()方法则一般由各个线程调用,实现CountDownLatch计数的减1。

知道了CountDownLatch的基本使用方式,我们就从上述DEMO的第一行new CountDownLatch(3)开始,看看CountDownLatch是怎么实现的。

首先,看下CountDownLatch的构造方法:

     Image
     和ReentrantLock类似,CountDownLatch内部也有一个叫做Sync的内部类,同样也是用它继承了AQS。
     再看下Sync:
     Image [1]
     如果你看过本系列的上半部分,你对setState方法一定不会陌生,它是AQS的一个“状态位”,在不同的场景下,代表不同的含义,比如在ReentrantLock中,表示加锁的次数,在CountDownLatch中,
    则表示CountDownLatch的计数器的初始大小。
    Image [2]
    设置完计数器大小后CountDownLatch的构造方法返回,下面我们再看下CountDownLatch的await()方法:
    Image [3]
    调用了Sync的acquireSharedInterruptibly方法,因为Sync是AQS子类的原因,这里其实是直接调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法:
      Image [4]
    从方法名上看,这个方法的调用是响应线程的打断的,所以在前两行会检查下线程是否被打断。接着,尝试着获取共享锁,小于0,表示获取失败,通过本系列的上半部分的解读,
   我们知道AQS在获取锁的思路是,先尝试直接获取锁,如果失败会将当前线程放在队列中,按照FIFO的原则等待锁。
    而对于共享锁也是这个思路,如果和独占锁一致,这里的tryAcquireShared应该是个空方法,留给子类去判断:
    Image [5] 
    再看看CountDownLatch:
    Image [6] 
     如果state变成0了,则返回1,表示获取成功,否则返回-1则表示获取失败。
     看到这里,读者可能会发现, await方法的获取方式更像是在获取一个独占锁,那为什么这里还会用tryAcquireShared呢?
     回想下CountDownLatch的await方法是不是只能在主线程中调用?答案是否定的,CountDownLatch的await方法可以在多个线程中调用,当CountDownLatch的计数器为0后,调用await的方法都会依次返回。
     也就是说可以多个线程同时在等待await方法返回,所以它被设计成了实现tryAcquireShared方法,获取的是一个共享锁,锁在所有调用await方法的线程间共享,所以叫共享锁。
    回到acquireSharedInterruptibly方法:
    Image [7]
   如果获取共享锁失败(返回了-1,说明state不为0,也就是CountDownLatch的计数器还不为0),进入调用doAcquireSharedInterruptibly方法中,按照我们上述的猜想,应该是要将当前线程放入到队列中去。
  在这之前,我们再回顾一下AQS队列的数据结构:AQS是一个双向链表,通过节点中的next,pre变量分别指向当前节点后一个节点和前一个节点。其中,每个节点中都包含了一个线程和一个类型变量:表示当前节点是独占节点还是共享节点,头节点中的线程为正在占有锁的线程,而后的所有节点的线程表示为正在等待获取锁的线程。如下图所示:
   Image [10] [1]
黄色节点,表示正在获取锁的节点,剩下的蓝色节点(Node1、Node2、Node3)为正在等待锁的节点,他们通过各自的next,pre变量分别指向前后节点,形成了AQS中的双向链表。
    再看看doAcquireSharedInterruptibly方法:
   private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED); //将当前线程包装为类型为Node.SHARED的节点,标示这是一个共享节点。
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {//如果新建节点的前一个节点,就是Head,说明当前节点是AQS队列中等待获取锁的第一个节点,按照FIFO的原则,可以直接尝试获取锁。
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r); //获取成功,需要将当前节点设置为AQS队列中的第一个节点,这是AQS的规则,队列的头节点表示正在获取锁的节点
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //检查下是否需要将当前节点挂起
                    parkAndCheckInterrupt()) 
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
这里有几点需要说明的:
 1. setHeadAndPropagate方法:
    Image [8]
    首先,使用了CAS更换了头节点,然后,将当前节点的下一个节点取出来,如果同样是“shared”类型的,再做一个”releaseShared”操作。
    看下doReleaseShared方法:
       for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) { 
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) //如果当前节点是SIGNAL意味着,它正在等待一个信号,
                                                                                              //或者说,它在等待被唤醒,因此做两件事,
                                                                                              //1是重置waitStatus标志位,2是重置成功后,唤醒下一个节点。
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))  //如果本身头结点的waitStatus是出于重置状态(waitStatus==0)的,将其设置为“传播”状态。意味着需要将状态向后一个节点传播。
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
  为什么要这么做呢?这就是共享功能和独占功能最不一样的地方,对于独占功能来说,有且只有一个线程(通常只对应一个节点,拿ReentantLock举例,如果当前持有锁的线程重复调用lock()方法,
那根据本系列上半部分我们的介绍,我们知道,会被包装成多个节点在AQS的队列中,所以用一个线程来描述更准确),能够获取锁,但是对于共享功能来说。
共享的状态是可以被共享的,也就是意味着其他AQS队列中的其他节点也应能第一时间知道状态的变化。因此,一个节点获取到共享状态流程图是这样的:
     Image [9]
     比如现在有如下队列:
Image [10] [1]
     当Node1调用tryAcquireShared成功后,更换了头节点:
     Image [11]
     Node1变成了头节点然后调用unparkSuccessor()方法唤醒了Node2,Node2中持有的线程A出于上面流程图的park node的位置,
     线程A被唤醒后,重复黄色线条的流程,重新检查调用tryAcquireShared方法,看能否成功,如果成功,则又更改头结点,重复以上步骤,以实现节点自身获取共享锁成功后,唤醒下一个共享类型结点的操作,实现共享状态的向后传递。
 2.其实对于doAcquireShared方法,AQS还提供了集中类似的实现:
   Image [12]  
 分别对应了:
 1. 带参数请求共享锁。 (忽略中断)
 2. 带参数请求共享锁,且响应中断。(每次循环时,会检查当前线程的中断状态,以实现对线程中断的响应)
 3. 带参数请求共享锁但是限制等待时间。(第二个参数设置超时时间,超出时间后,方法返回。)
比较特别的为最后一个doAcquireSharedNanos方法,我们一起看下它怎么实现超时时间的控制的。
Image [13]
因为该方法和其余获取共享锁的方法逻辑是类似的,我用红色框圈出了它所不一样的地方,也就是实现超时时间控制的地方。
可以看到,其实就是在进入方法时,计算出了一个“deadline”,每次循环的时候用当前时间和“deadline”比较,大于“dealine”说明超时时间已到,直接返回方法。
注意,最后一个红框中的这行代码:
    nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold
从变量的字面意思可知,这是拿超时时间和超时自旋的最小阀值作比较,在这里Doug Lea把超时自旋的阀值设置成了1000ns,即只有超时时间大于1000ns才会去挂起线程,否则,再次循环,以实现“自旋”操作。这是“自旋”在AQS中的应用之处。
看完await方法,我们再来看下countDown()方法:
Image [14]
调用了AQS的releaseShared方法,并传入了参数1:
Image [15]
同样先尝试去释放锁,tryReleaseShared同样为空方法,留给子类自己去实现,以下是CountDownLatch的内部类Sync的实现:
Image [16]
死循环更新state的值,实现state的减1操作,之所以用死循环是为了确保state值的更新成功。
从上文的分析中可知,如果state的值为0,在CountDownLatch中意味:所有的子线程已经执行完毕,这个时候可以唤醒调用await()方法的线程了,而这些线程正在AQS的队列中,并被挂起的,
所以下一步应该去唤醒AQS队列中的头结点了(AQS的队列为FIFO队列),然后由头节点去依次唤醒AQS队列中的其他共享节点。
如果tryReleaseShared返回true,进入doReleaseShared()方法:
  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)) //如果当前节点是SIGNAL意味着,它正在等待一个信号,
                                                                                              //或者说,它在等待被唤醒,因此做两件事,
                                                                                              //1是重置waitStatus标志位,2是重置成功后,唤醒下一个节点。
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))  //如果本身头结点的waitStatus是出于重置状态(waitStatus==0)的,将其设置为“传播”状态。意味着需要将状态向后一个节点传播。
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
  }
当线程被唤醒后,会重新尝试获取共享锁,而对于CountDownLatch线程获取共享锁判断依据是state是否为0,而这个时候显然state已经变成了0,因此可以顺利获取共享锁并且依次唤醒AQS队里中后面的节点及对应的线程。
总结
     本文从CountDownLatch入手,深入分析了AQS关于共享锁方面的实现方式:

如果获取共享锁失败后,将请求共享锁的线程封装成Node对象放入AQS的队列中,并挂起Node对象对应的线程,实现请求锁线程的等待操作。待共享锁可以被获取后,从头节点开始,依次唤醒头节点及其以后的所有共享类型的节点。实现共享状态的传播。
这里有几点值得注意:
1.     与AQS的独占功能一样,共享锁是否可以被获取的判断为空方法,交由子类去实现。
2.     与AQS的独占功能不同,当锁被头节点获取后,独占功能是只有头节点获取锁,其余节点的线程继续沉睡,等待锁被释放后,才会唤醒下一个节点的线程,而共享功能是只要头节点获取锁成功,就在唤醒自身节点对应的线程的同时,继续唤醒AQS队列中的下一个节点的线程,每个节点在唤醒自身的同时还会唤醒下一个节点对应的线程,以实现共享状态的“向后传播”,从而实现共享功能。

以上的分析都是从AQS子类的角度去看待AQS的部分功能的,而如果直接看待AQS,或许可以这么去解读:
首先,AQS并不关心“是什么锁”,对于AQS来说它只是实现了一系列的用于判断“资源”是否可以访问的API,并且封装了在“访问资源”受限时将请求访问的线程的加入队列、挂起、唤醒等操作, AQS只关心“资源不可以访问时,怎么处理?”、“资源是可以被同时访问,还是在同一时间只能被一个线程访问?”、“如果有线程等不及资源了,怎么从AQS的队列中退出?”等一系列围绕资源访问的问题,而至于“资源是否可以被访问?”这个问题则交给AQS的子类去实现。
当AQS的子类是实现独占功能时,例如ReentrantLock,“资源是否可以被访问”被定义为只要AQS的state变量不为0,并且持有锁的线程不是当前线程,则代表资源不能访问。
当AQS的子类是实现共享功能时,例如:CountDownLatch,“资源是否可以被访问”被定义为只要AQS的state变量不为0,说明资源不能访问。
这是典型的将规则和操作分开的设计思路:规则子类定义,操作逻辑因为具有公用性,放在父类中去封装。

当然,正式因为AQS只是关心“资源在什么条件下可被访问”,所以子类还可以同时使用AQS的共享功能和独占功能的API以实现更为复杂的功能。
比如:ReentrantReadWriteLock,我们知道ReentrantReadWriteLock的中也有一个叫Sync的内部类继承了AQS,而AQS的队列可以同时存放共享锁和独占锁,对于ReentrantReadWriteLock来说分别代表读锁和写锁,当队列中的头节点为读锁时,代表读操作可以执行,而写操作不能执行,因此请求写操作的线程会被挂起,当读操作依次推出后,写锁成为头节点,请求写操作的线程被唤醒,可以执行写操作,而此时的读请求将被封装成Node放入AQS的队列中。如此往复,实现读写锁的读写交替进行。
而本系列文章上半部分提到的FutureTask,其实思路也是:封装一个存放线程执行结果的变量A,使用AQS的独占API实现线程对变量A的独占访问,判断规则是,线程没有执行完毕:call()方法没有返回前,不能访问变量A,或者是超时时间没到前不能访问变量A(这就是FutureTask的get方法可以实现获取线程执行结果时,设置超时时间的原因)。
综上所述,本系列文章从AQS独占锁和共享锁两个方面深入分析了AQS的实现方式和独特的设计思路,希望对读者有启发,下一篇文章,我们将继续JDK 1.8下 J.U.C (java.util.concurrent)包中的其他工具类,敬请期待。



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