管程 — Java同步的设计思想
管程:指的是管理共享变量以及对共享变量的操作过程,让他们支持并发。
互斥:同一时刻只允许一个线程访问共享资源;
同步:线程之间如何通信、协作。
MESA模型
在管程的发展史上,先后出现过三种不同的管程模型,分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。AQS便是对MESA的经典实现。
管程中引入了条件变量的概念,而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。
AQS原理分析
什么是AQS
java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为,比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等,而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer
(简称AQS)实现的,AQS是一个抽象同步框架,可以用来实现一个依赖状态的同步器。
JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等,都是基于AQS框架来实现的
- 一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
- 将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法
AQS具备哪些特性?
- 阻塞等待队列
- 共享/独占
- 公平/非公平
- 可重入
- 允许中断
AQS两种队列
- 同步等待队列: 主要用于维护获取锁失败时入队的线程。
- 条件等待队列: 调用await()的时候会释放锁,然后线程会加入到条件队列,调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中,等待再次获得锁。
AQS队列中的节点包含5种状态
- 值为0,初始化状态,表示当前节点在sync队列中,等待着获取锁。
- CANCELLED,值为1,表示当前的线程被取消(如因超时、中断等原因放弃等待锁);
- SIGNAL,值为-1,表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行,也就是unpark;
- CONDITION,值为-2,表示当前节点在等待condition,也就是在condition队中;
- PROPAGATE,值为-3,表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行;
ReentrantLock为独占锁,同一时刻只有一个线程能持有锁,释放锁时,只需唤醒同步队列中的下一个有效节点(通过
unparkSuccessor()
),无需传播唤醒信号,因此不存在PROPAGATE。
同步等待队列
AQS当中的同步等待队列也称CLH队列,CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列,是FIFO先进先出线程等待队列,Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。
AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理:
- 当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程
- 当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。
- 通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。(由条件队列转化为同步队列)
条件等待队列
AQS中条件队列是使用单向列表保存的,用nextWaiter来连接:
- 调用await方法阻塞线程;
- 当前线程存在于同步队列的头结点,调用await方法进行阻塞(从同步队列转化到条件队列)
public class ConditionDemo {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private static final Condition condition = lock.newCondition();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {lock.lock();try {// 让线程在condition上一直等待下去condition.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}, "t1").start();new Thread(() -> {lock.lock();try {// 让线程在condition上一直等待下去condition.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}, "t2").start();// 主线程两秒后执行Thread.sleep(2000);log.debug("准备获取锁,去唤醒 condition上阻塞的线程");lock.lock();try {// 唤醒condition上所有阻塞的线程condition.signalAll();log.debug("唤醒condition上阻塞的线程");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}
}
结合ReentrantLock浅析AQS源码
重入锁默认使用非公平锁,以下以公平锁为例解析流程
一、加锁
final void lock() { //通过CAS设置state,成功则当前线程独占锁资源if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1);
}
二、尝试获取锁,失败则加入同步等待队列
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt();
}
三、公平锁:尝试获取锁。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { //需要遵循先来后到,存在前继节点则不参与竞争if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //当前线程独占锁,重入次数增加else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false;
}
四、尾插节点,以及节点状态变更逻辑
private Node addWaiter(Node mode) { //当前线程node节点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) { //尾插到链表末端,并cas设置新的tailnode.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //自旋+cas重复上面的尾插enq(node); return node;
}
//核心接口
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { final Node p = node.predecessor(); //node前继节点为头节点,则再次尝试获取锁if (p == head && tryAcquire(arg)) {//获取锁成功,设置node为头节点 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } //检查更新前继节点状态(p.waitStatus),返回true阻塞当前nodeif (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); }
}//在整个acquire流程中,此方法是主要的控制waitStatus的地方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) {//跳过cancel状态的nodedo {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {//前继节点为0或PROPAGATE,通过CAS设置为-1compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;}
AQS中的核心关注点
公平和非公平锁,可重入锁是如何实现的
公平锁与非公平锁主要体现在锁竞争的机制上,下面对比两者的核心代码:
公平锁:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { //需要遵循先来后到,存在前继节点则不参与竞争if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //重入锁实现else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //当前线程独占锁,重入次数增加int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false;
}
非公平锁:
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) {//其他线程释放了锁,CAS设置state if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } //重入锁实现else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //当前线程独占锁,重入次数增加int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } //获取锁失败 return false;
}
区别很明显:公平锁竞争需要排队,而非公平锁可直接参与竞争
重入锁的实现:判断获取了锁的线程就是当前线程,则state+1,否则失败
注意:获取锁失败进入等待队列之后,公平锁与非公平锁是一样的