再谈 AbstractQueuedSynchronizer 1 :独占模式

关于AbstractQueuedSynchronizer

JDK1.5之后引入了并发包java.util.concurrent,大大提高了Java程序的并发性能。关于java.util.concurrent包我总结如下:

  • AbstractQueuedSynchronizer是并发类诸如ReentrantLock、CountDownLatch、Semphore的核心
  • CAS算法是AbstractQueuedSynchronizer的核心

可以说AbstractQueuedSynchronizer是并发类的重中之重。其实之前在ReentrantLock实现原理深入探究一文中已经有结合ReentrantLock详细解读过AbstractQueuedSynchronizer,但限于当时水平原因,回看一年半前的此文,感觉对于AbstractQueuedSynchronizer的解读理解还不够深,因此这里更新一篇文章,再次解读AbstractQueuedSynchronizer的数据结构即相关源码实现,本文基于JDK1.7版本。 

AbstactQueuedSynchronizer的基本数据结构

AbstractQueuedSynchronizer的基本数据结构为Node,关于Node,JDK作者写了详细的注释,这里我大致总结几点:

  1. AbstractQueuedSynchronizer的等待队列是CLH队列的变种,CLH队列通常用于自旋锁,AbstractQueuedSynchronizer的等待队列用于阻塞同步器
  2. 每个节点中持有一个名为”status”的字段用于是否一条线程应当阻塞的追踪,但是status字段并不保证加锁
  3. 一条线程如果它处于队列的头,那么他会尝试去acquire,但是成为头并不保证成功,它只是有权利去竞争
  4. 要进入队列,你只需要自动将它拼接在队列尾部即可;要从队列中移除,你只需要设置header字段

下面我用一张表格总结一下Node中持有哪些变量且每个变量的含义:

关于SIGNAL、CANCELLED、CONDITION、PROPAGATE四个状态,JDK源码的注释中同样有了详细的解读,再用一张表格总结一下:

 

AbstractQueuedSynchronizer供子类实现的方法

AbstractQueuedSynchzonizer是基于模板模式的实现,不过它的模板模式写法有点特别,整个类中没有任何一个abstract的抽象方法,取而代之的是,需要子类去实现的那些方法通过一个方法体抛出UnsupportedOperationException异常来让子类知道。

AbstractQueuedSynchronizer类中一共有五处方法供子类实现,用表格总结一下:

这里的acquire不好翻译,所以就直接原词放上来了,因为acquire是一个动词,后面并没有带宾语,因此不知道具体acquire的是什么。按照我个人理解,acquire的意思应当是根据状态字段state去获取一个执行当前动作的资格。

比如ReentrantLock的lock()方法最终会调用acquire方法,那么:

  1. 线程1去lock(),执行acquire,发现state=0,因此有资格执行lock()的动作,将state设置为1,返回true
  2. 线程2去lock(),执行acquire,发现state=1,因此没有资格执行lock()的动作,返回false

这种理解我认为应当是比较准确的。

独占模式acquire实现流程

有了上面的这些基础,我们看一下独占式acquire的实现流程,主要是在线程acquire失败后,是如何构建数据结构的,先看理论,之后再用一个例子画图说明。

看一下AbstractQuueuedSynchronizer的acquire方法实现流程,acquire方法是用于独占模式下进行操作的:

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

tryAcquire方法前面说过了,是子类实现的一个方法,如果tryAcquire返回的是true(成功),即表明当前线程获得了一个执行当前动作的资格,自然也就不需要构建数据结构进行阻塞等待。

如果tryAcquire方法返回的是false,那么当前线程没有获得执行当前动作的资格,接着执行”acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))”这句代码,这句话很明显,它是由两步构成的:

  1. addWaiter,添加一个等待者
  2. acquireQueued,尝试从等待队列中去获取执行一次acquire动作

分别看一下每一步做了什么。

addWaiter

先看第一步,addWaiter做了什么,从传入的参数Node.EXCLUSIVE我们知道这是独占模式的:

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 prev = tail;
    if (prev != null) {
        node.prev = prev;
        if (compareAndSetTail(prev, node)) {
            prev.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

首先看第4行~第11行的代码,获得当前数据结构中的尾节点,如果有尾节点,那么先获取这个节点认为它是前驱节点prev,然后:

  • 新生成的Node的前驱节点指向prev
  • 并发下只有一条线程可以通过CAS算法让自己的Node成为尾节点,此时将此prev的next指向该线程对应的Node

因此在数据结构中有节点的情况下,所有新增节点都是作为尾节点插入数据结构。从注释上来看,这段逻辑的存在的意义是以最短路径O(1)的效果完成快速入队,以最大化减小开销。

假如当前节点没有被设置为尾节点,那么执行enq方法:

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

这段代码的逻辑为:

  1. 如果尾节点为空,即当前数据结构中没有节点,那么new一个不带任何状态的Node作为头节点
  2. 如果尾节点不为空,那么并发下使用CAS算法将当前Node追加成为尾节点,由于是一个for(;;)循环,因此所有没有成功acquire的Node最终都会被追加到数据结构中

看完了代码,用一张图表示一下AbstractQueuedSynchronizer的整体数据结构(比较简单,就不自己画了,网上随便找了一张图):

 

acquireQueued

队列构建好了,下一步就是在必要的时候从队列里面拿出一个Node了,这就是acquireQueued方法,顾名思义,从队列里面acquire。看下acquireQueued方法的实现:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.prevecessor();
            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);
    }
}

这段代码描述了几件事:

  1. 从第6行的代码获取节点的前驱节点p,第7行的代码判断p是前驱节点并tryAcquire我们知道,只有当前第一个持有Thread的节点才会尝试acquire,如果节点acquire成功,那么setHead方法,将当前节点作为head、将当前节点中的thread设置为null、将当前节点的prev设置为null,这保证了数据结构中头结点永远是一个不带Thread的空节点
  2. 如果当前节点不是前驱节点或者tryAcquire失败,那么执行第13行~第15行的代码,做了两步操作,首先判断在acquie失败后是否应该park,其次park并检查中断状态

看一下第一步shouldParkAfterFailedAcquire代码做了什么:

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node prev, Node node) {
    int ws = prev.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) {
        /*
         * prevecessor was cancelled. Skip over prevecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = prev = prev.prev;
        } while (prev.waitStatus > 0);
        prev.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(prev, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

这里每个节点判断它前驱节点的状态,如果:

  1. 它的前驱节点是SIGNAL状态的,返回true,表示当前节点应当park
  2. 它的前驱节点的waitStatus>0,相当于CANCELLED(因为状态值里面只有CANCELLED是大于0的),那么CANCELLED的节点作废,当前节点不断向前找并重新连接为双向队列,直到找到一个前驱节点waitStats不是CANCELLED的为止
  3. 它的前驱节点不是SIGNAL状态且waitStatus<=0,此时执行第24行代码,利用CAS机制,如果waitStatus的前驱节点是0那么更新为SIGNAL状态

如果判断判断应当park,那么parkAndCheckInterrupt方法:

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
      LockSupport.park(this);
      return Thread.interrupted();
 }

利用LockSupport的park方法让当前线程阻塞。 

独占模式release流程

上面整理了独占模式的acquire流程,看到了等待的Node是如何构建成一个数据结构的,下面看一下释放的时候做了什么,release方法的实现为:

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

tryRelease同样是子类去实现的,表示当前动作我执行完了,要释放我执行当前动作的资格,讲这个资格让给其它线程,然后tryRelease释放成功,获取到head节点,如果head节点的waitStatus不为0的话,执行unparkSuccessor方法,顾名思义unparkSuccessor意为unpark头结点的继承者,方法实现为:

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);
}

这段代码比较好理解,整理一下流程:

  1. 头节点的waitStatus<0,将头节点的waitStatus设置为0
  2. 拿到头节点的下一个节点s,如果s==null或者s的waitStatus>0(被取消了),那么从队列尾巴开始向前寻找一个waitStatus<=0的节点作为后继要唤醒的节点

最后,如果拿到了一个不等于null的节点s,就利用LockSupport的unpark方法让它取消阻塞。

实战举例:数据结构构建

上面的例子讲解地过于理论,下面利用ReentrantLock举个例子,但是这里不讲ReentrantLock实现原理,只是利用ReentrantLock研究AbstractQueuedSynchronizer的acquire和release。示例代码为:

/**
 * @author 五月的仓颉http://www.cnblogs.com/xrq730/p/7056614.html
 */
public class AbstractQueuedSynchronizerTest {

    @Test
    public void testAbstractQueuedSynchronizer() {
        Lock lock = new ReentrantLock();

        Runnable runnable0 = new ReentrantLockThread(lock);
        Thread thread0 = new Thread(runnable0);
        thread0.setName("线程0");

        Runnable runnable1 = new ReentrantLockThread(lock);
        Thread thread1 = new Thread(runnable1);
        thread1.setName("线程1");

        Runnable runnable2 = new ReentrantLockThread(lock);
        Thread thread2 = new Thread(runnable2);
        thread2.setName("线程2");

        thread0.start();
        thread1.start();
        thread2.start();

        for (;;);
    }

    private class ReentrantLockThread implements Runnable {

        private Lock lock;

        public ReentrantLockThread(Lock lock) {
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.lock();
                for (;;);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }

}

全部是死循环,相当于第一条线程(线程0)acquire成功之后,后两条线程(线程1、线程2)阻塞,下面的代码就不考虑后两条线程谁先谁后的问题,就一条线程(线程1)流程执行到底、另一条线程(线程2)流程执行到底这么分析了。

这里再把addWaiter和enq两个方法源码贴一下:

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 prev = tail;
    if (prev != null) {
        node.prev = prev;
        if (compareAndSetTail(prev, node)) {
            prev.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

首先第一个acquire失败的线程1,由于此时整个数据结构中么没有任何数据,因此addWaiter方法第4行中拿到的prev=tail为空,执行enq方法,首先第3行获取tail,第4行判断到tail是null,因此头结点new一个Node出来通过CAS算法设置为数据结构的head,tail同样也是这个Node,此时数据结构为:

为了方便描述,prev和next,我给每个Node随便加了一个地址。接着继续enq,因为enq内是一个死循环,所以继续第3行获取tail,new了一个空的Node之后tail就有了,执行else判断,通过第8行~第10行代码将当前线程对应的Node追加到数据结构尾部,那么当前构建的数据结构为:

这样,线程1对应的Node被加入数据结构,成为数据结构的tail,而数据结构的head是一个什么都没有的空Node。

接着线程2也acquire失败了,线程2既然acquire失败,那也要准备被加入数据结构中,继续先执行addWaiter方法,由于此时已经有了tail,因此不需要执行enq方法,可以直接将当前Node添加到数据结构尾部,那么当前构建的数据结构为:

至此,两个阻塞的线程构建的三个Node已经全部归位。

实战举例:线程阻塞

上述流程只是描述了构建数据结构的过程,并没有描述线程1、线程2阻塞的流程,因此接着继续用实际例子看一下线程1、线程2如何阻塞。贴一下acquireQueued、shouldParkAfterFailedAcquire两个方法源码:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.prevecessor();
            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);
    }
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node prev, Node node) {
    int ws = prev.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) {
        /*
         * prevecessor was cancelled. Skip over prevecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = prev = prev.prev;
        } while (prev.waitStatus > 0);
        prev.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(prev, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

首先是线程1,它的前驱节点是head节点,在它tryAcquire成功的情况下,执行第8行~第11行的代码。做几件事情:

  1. head为线程1对应的Node
  2. 线程1对应的Node的thread置空
  3. 线程1对应的Node的prev置空
  4. 原head的next置空,这样原head中的prev、next、thread都为空,对象内没有引用指向其他地方,GC可以认为这个Node是垃圾,对这个Node进行回收,注释”Help GC”就是这个意思
  5. failed=false表示没有失败

因此,如果线程1执行tryAcquire成功,那么数据结构将变为:

从上述流程可以总结到:只有前驱节点为head的节点会尝试tryAcquire,其余都不会,结合后面的release选继承者的方式,保证了先acquire失败的线程会优先从阻塞状态中解除去重新acquire。这是一种公平的acquire方式,因为它遵循”先到先得”原则,但是我们可以动动手脚让这种公平变为非公平,比如ReentrantLock默认的非公平模式,这个留在后面说。

那如果线程1执行tryAcquire失败,那么要执行shouldParkAfterFailedAcquire方法了,shouldParkAfterFailedAcquire拿线程1的前驱节点也就是head节点的waitStatus做了一个判断,因为waitStatus=0,因此执行第18行~第20行的逻辑,将head的waitStatus设置为SIGNAL即-1,然后方法返回false,数据结构变为:

看到这里就一个变化:head的waitStatus从0变成了-1。既然shouldParkAfterFailedAcquire返回false,acquireQueued的第13行~第14行的判断自然不通过,继续走for(;;)循环,如果tryAcquire失败显然又来到了shouldParkAfterFailedAcquire方法,此时线程1对应的Node的前驱节点head节点的waitStatus已经变为了SIGNAL即-1,因此执行第4行~第8行的代码,直接返回true出去。

shouldParkAfterFailedAcquire返回true,parkAndCheckInterrupt直接调用LockSupport的park方法:

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
     LockSupport.park(this);
     return Thread.interrupted();
 }

至此线程1阻塞,线程2阻塞的流程与线程1阻塞的流程相同,可以自己分析一下。

另外再提一个问题,不知道大家会不会想:

  1. 为什么线程1对应的Node构建完毕不直接调用LockSupport的park方法进行阻塞?
  2. 为什么不直接把head的waitStatus直接设置为Signal而要从0设置为Signal?

我认为这是AbstractQueuedSynchronizer开发人员做了类似自旋的操作。因为很多时候获取acquire进行操作的时间很短,阻塞会引起上下文的切换,而很短时间就从阻塞状态解除,这样相对会比较耗费性能。

因此我们看到线程1自构建完毕Node加入数据结构到阻塞,一共尝试了两次tryAcquire,如果其中有一次成功,那么线程1就没有必要被阻塞,提升了性能。



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