引言

曾經(jīng)有一道比較比較經(jīng)典的面試題“你能夠說(shuō)說(shuō)java的并發(fā)包下面有哪些常見的類？”大多數(shù)人應(yīng)該都可以說(shuō)出

CountDownLatch、CyclicBarrier、Sempahore多線程并發(fā)三大利器。這三大利器都是通過(guò)AbstractQueuedSynchronizer抽象類(下面簡(jiǎn)寫AQS)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以學(xué)習(xí)三大利器之前我們有必要先來(lái)學(xué)習(xí)下AQS。

AQS是一種提供了原子式管理同步狀態(tài)、阻塞和喚醒線程功能以及隊(duì)列模型的簡(jiǎn)單框架

AQS結(jié)構(gòu)

說(shuō)到同步我們?nèi)绾蝸?lái)保證同步？大家第一印象肯定是加鎖了，說(shuō)到鎖的話大家肯定首先會(huì)想到的是Synchronized。

Synchronized大家應(yīng)該基本上都會(huì)使用，加鎖和釋放鎖都是jvm 來(lái)幫我們實(shí)現(xiàn)的，我們只需要簡(jiǎn)單的加個(gè) Synchronized關(guān)鍵字就可以了。

用起來(lái)超級(jí)方便。但是有沒(méi)有一種情況我們?cè)O(shè)置一個(gè)鎖的超時(shí)時(shí)間Synchronized就有點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不了，這時(shí)候我們就可以用ReentrantLock來(lái)實(shí)現(xiàn),ReentrantLock是通過(guò)aqs來(lái)實(shí)現(xiàn)的，今天我們就通過(guò)ReentrantLock來(lái)學(xué)習(xí)一下aqs。

CAS && 公平鎖和非公平鎖

AQS里面用到了大量的CAS學(xué)習(xí)AQS之前我們還是有必要簡(jiǎn)單的先了解下CAS、公平鎖和非公平鎖。

CAS

CAS 全稱是 compare and swap，是一種用于在多線程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)同步功能的機(jī)制。CAS 操作包含三個(gè)操作數(shù) -- 內(nèi)存位置、預(yù)期數(shù)值和新值。CAS 的實(shí)現(xiàn)邏輯是將內(nèi)存位置處的數(shù)值與預(yù)期數(shù)值想比較，若相等，則將內(nèi)存位置處的值替換為新值。若不相等，則不做任何操作,這個(gè)操作是個(gè)原子性操作，java里面的AtomicInteger等類都是通過(guò)cas來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

公平鎖和非公平鎖

公平鎖：多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序去獲得鎖，線程會(huì)直接進(jìn)入隊(duì)列去排隊(duì)，隊(duì)列中第一個(gè)才能獲得到鎖。

優(yōu)點(diǎn)：等待鎖的線程不會(huì)餓死，每個(gè)線程都可以獲取到鎖。

缺點(diǎn)：整體吞吐效率相對(duì)非公平鎖要低，等待隊(duì)列中除第一個(gè)線程以外的所有線程都會(huì)阻塞，CPU喚醒阻塞線程的開銷比非公平鎖大。

非公平鎖：多個(gè)線程去獲取鎖的時(shí)候，會(huì)直接去嘗試獲取，獲取不到，再去進(jìn)入等待隊(duì)列，如果能獲取到，就直接獲取到鎖。

優(yōu)點(diǎn)：可以減少CPU喚醒線程的開銷，整體的吞吐效率會(huì)高點(diǎn)，CPU也不必取喚醒所有線程，會(huì)減少喚起線程的數(shù)量。

缺點(diǎn)：處于等待隊(duì)列中的線程可能會(huì)餓死，或者等很久才會(huì)獲得鎖。

文字有點(diǎn)拗口，我們來(lái)個(gè)實(shí)際的例子說(shuō)明下。比如我們?nèi)ナ程镁筒偷臅r(shí)候都要排隊(duì)，大家都按照先來(lái)后到的順序排隊(duì)打飯，這就是公平鎖。如果等到你準(zhǔn)備拿盤子打飯的時(shí)候

直接蹦出了一個(gè)五大三粗的胖子插隊(duì)到你前面，你看打不贏他只能忍氣吞聲讓他插隊(duì)，等胖子打完飯了又來(lái)個(gè)小個(gè)子也來(lái)插你隊(duì)，這時(shí)候你沒(méi)法忍了，直接大吼一聲讓他滾，這個(gè)

小個(gè)子只能屁顛屁顛到隊(duì)尾去排隊(duì)了這就是非公平鎖。

我們先來(lái)看看AQS有哪些屬性

// 頭結(jié)點(diǎn)

private transient volatile Node head;

// 阻塞的尾節(jié)點(diǎn)，每個(gè)新的節(jié)點(diǎn)進(jìn)來(lái)，都插入到最后，也就形成了一個(gè)鏈表

private transient volatile Node tail;

// 這個(gè)是最重要的，代表當(dāng)前鎖的狀態(tài)，0代表沒(méi)有被占用，大于 0 代表有線程持有當(dāng)前鎖

// 這個(gè)值可以大于 1，是因?yàn)殒i可以重入，每次重入都加上 1

private volatile int state;

// 代表當(dāng)前持有獨(dú)占鎖的線程，舉個(gè)最重要的使用例子，因?yàn)殒i可以重入

// reentrantLock.lock()可以嵌套調(diào)用多次，所以每次用這個(gè)來(lái)判斷當(dāng)前線程是否已經(jīng)擁有了鎖

// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}

private transient Thread exclusiveOwnerThread; //繼承自AbstractOwnableSynchronizer

下面我們來(lái)寫一個(gè)demo分析下lock 加鎖和釋放鎖的過(guò)程

```java

final void lock() {

// 上來(lái)先試試直接把狀態(tài)置位1，如果此時(shí)沒(méi)人獲取鎖就直接

if (compareAndSetState(0, 1))

// 爭(zhēng)搶成功則修改獲得鎖狀態(tài)的線程

setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());

else

acquire(1);

}

cas嘗試失敗，說(shuō)明已經(jīng)有人再持有鎖，所以進(jìn)入acquire方法

public final void acquire(int arg) {

if (!tryAcquire(arg) &&

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

selfInterrupt();

}

tryAcquire方法，看名字大概能猜出什么意思，就是試一試。

tryAcquire實(shí)際上是調(diào)用了父類Sync的nonfairTryAcquire方法

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {

final Thread current = Thread.currentThread();

// 獲取下當(dāng)前鎖的狀態(tài)

int c = getState();

// 這個(gè)if 邏輯跟前面一進(jìn)來(lái)就獲取鎖的邏輯一樣都是通過(guò)cas嘗試獲取下鎖

if (c == 0) {

if (compareAndSetState(0, acquires)) {

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;

}

}

// 進(jìn)入這個(gè)判斷說(shuō)明 鎖重入了 狀態(tài)需要進(jìn)行+1

else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

int nextc = c + acquires;

// 如果鎖的重入次數(shù)大于int的最大值，直接就拋出異常了，正常情況應(yīng)該不存在這種情況，不過(guò)jdk還是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?/p>

if (nextc < 0) // overflow

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

setState(nextc);

return true;

}

// 返回false 說(shuō)明嘗試獲取鎖失敗了，失敗了就要進(jìn)行acquireQueued方法了

return false;

}

tryAcquire方法如果獲取鎖失敗了,那么肯定就要排隊(duì)等待獲取鎖。排隊(duì)的線程需要待在哪里等待獲取鎖？這個(gè)就跟我們線程池執(zhí)行任務(wù)一樣，線程池把任務(wù)都封裝成一個(gè)work，然后當(dāng)線程處理任務(wù)不過(guò)來(lái)的時(shí)候，就把任務(wù)放到隊(duì)列里面。AQS同樣也是類似的，把排隊(duì)等待獲取鎖的線程封裝成一個(gè)NODE。然后再把NODE放入到一個(gè)隊(duì)列里面。隊(duì)列如下所示，不過(guò)需要注意一點(diǎn)head是不存NODE的。

接下來(lái)我們繼續(xù)分析源碼，看下獲取鎖失敗是如何被加入隊(duì)列的。

就要執(zhí)行acquireQueued方法，執(zhí)行acquireQueued方法之前需要先執(zhí)行addWaiter方法

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;

// cas 加入隊(duì)列隊(duì)尾

if (compareAndSetTail(pred, node)) {

pred.next = node;

return node;

}

}

// 尾結(jié)點(diǎn)不為空 || cas 加入尾結(jié)點(diǎn)失敗

enq(node);

return node;

}

enq

接下來(lái)再看看enq方法

// 通過(guò)自旋和CAS一定要當(dāng)前node加入隊(duì)尾

private Node enq(final Node node) {

for (;;) {

Node t = tail;

// 尾結(jié)點(diǎn)為空說(shuō)明隊(duì)列還是空的，還沒(méi)有被初始化，所以初始化頭結(jié)點(diǎn)，可以看到頭結(jié)點(diǎn)的node 是沒(méi)有綁定線程的也就是不存數(shù)據(jù)的

if (t == null) { // Must initialize

if (compareAndSetHead(new Node()))

tail = head;

} else {

node.prev = t;

if (compareAndSetTail(t, node)) {

t.next = node;

return t;

}

}

}

}

通過(guò)addWaiter方法已經(jīng)把獲取鎖的線程通過(guò)封裝成一個(gè)NODE加入對(duì)列。上述方法的一個(gè)執(zhí)行流程圖如下：

，接下來(lái)就是繼續(xù)執(zhí)行acquireQueued方法

acquireQueued

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {

boolean failed = true;

try {

boolean interrupted = false;

for (;;) {

// 通過(guò)自旋去獲取鎖 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)==head的時(shí)候去嘗試獲取鎖，這個(gè)方法在前面已經(jīng)分析過(guò)了。

final Node p = node.predecessor();

if (p == head && tryAcquire(arg)) {

setHead(node);

p.next = null; // help GC

failed = false;

return interrupted;

}

// 進(jìn)入這個(gè)if說(shuō)明node的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)不等于head 或者嘗試獲取鎖失敗了

// 判斷是否需要掛起當(dāng)前線程

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

parkAndCheckInterrupt())

interrupted = true;

}

} finally {

// 異常情況進(jìn)入cancelAcquire，在jdk11的時(shí)候這個(gè)源碼直接是catch (Throwable e){ cancelAcquire(node);} 簡(jiǎn)單明了

if (failed)

cancelAcquire(node);

}

}

setHead

這個(gè)方法每當(dāng)有一個(gè)node獲取到鎖了，就把當(dāng)前node節(jié)點(diǎn)設(shè)置為頭節(jié)點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單的看做當(dāng)前節(jié)點(diǎn)獲取到鎖了就把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”移除“(變?yōu)轭^結(jié)點(diǎn))隊(duì)列。

shouldParkAfterFailedAcquire

說(shuō)到這個(gè)方法我們就要先看下NODE可能會(huì)有哪些狀態(tài)在源碼里面我們可以看到總共會(huì)有四種狀態(tài)

CANCELLED：值為1，在同步隊(duì)列中等待的線程等待超時(shí)或被中斷，需要從同步隊(duì)列中取消該Node的結(jié)點(diǎn)，其結(jié)點(diǎn)的waitStatus為CANCELLED，即結(jié)束狀態(tài)，進(jìn)入該狀態(tài)后的結(jié)點(diǎn)將不會(huì)再變化。

SIGNAL：值為-1，被標(biāo)識(shí)為該等待喚醒狀態(tài)的后繼結(jié)點(diǎn)，當(dāng)其前繼結(jié)點(diǎn)的線程釋放了同步鎖或被取消，將會(huì)通知該后繼結(jié)點(diǎn)的線程執(zhí)行。說(shuō)白了，就是處于喚醒狀態(tài)，只要前繼結(jié)點(diǎn)釋放鎖，就會(huì)通知標(biāo)識(shí)為SIGNAL狀態(tài)的后繼結(jié)點(diǎn)的線程執(zhí)行。

CONDITION：值為-2，與Condition相關(guān)，該標(biāo)識(shí)的結(jié)點(diǎn)處于等待隊(duì)列中，結(jié)點(diǎn)的線程等待在Condition上，當(dāng)其他線程調(diào)用了Condition的signal()方法后，CONDITION狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)將從等待隊(duì)列轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列中，等待獲取同步鎖。

PROPAGATE：值為-3，與共享模式相關(guān)，在共享模式中，該狀態(tài)標(biāo)識(shí)結(jié)點(diǎn)的線程處于可運(yùn)行狀態(tài)。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {

int ws = pred.waitStatus;

// 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài) 如果這個(gè)狀態(tài)為-1 則返回true，把當(dāng)前線程掛起

if (ws == Node.SIGNAL)

return true;

// 大于0，說(shuō)明狀態(tài)為CANCELLED

if (ws > 0) {

do {

// 刪除被取消的node(讓被取消的node成為一個(gè)沒(méi)有引用的node等著下次GC被回收)

node.prev = pred = pred.prev;

} while (pred.waitStatus > 0);

pred.next = node;

} else {

// 進(jìn)入這里只能是 0，-2，-3。NODE節(jié)點(diǎn)初始化的時(shí)候waitStatus默認(rèn)值是0，所以只有這里才有修改waitStatus的地方

// 通過(guò)cas 把前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置為-1，然后返回false ，外面調(diào)用這個(gè)方法的是個(gè)循環(huán)，又會(huì)調(diào)用一次這個(gè)方法

compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

}

return false;

}

parkAndCheckInterrupt

掛起當(dāng)前線程，并且阻塞

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {

LockSupport.park(this); // 掛起當(dāng)前線程，阻塞

return Thread.interrupted();

}

解鎖

加鎖成功了，那鎖用完了就應(yīng)該釋放鎖了，釋放鎖重點(diǎn)看下unparkSuccessor這個(gè)方法就好了

private void unparkSuccessor(Node node) {

// 頭結(jié)點(diǎn)狀態(tài)

int ws = node.waitStatus;

if (ws < 0)

compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

Node s = node.next;

// s==null head的successor節(jié)點(diǎn)獲取鎖成功后，執(zhí)行了head.next=null的操作后，解鎖線程讀取了head.next，因此s==null

// head的successor節(jié)點(diǎn)被取消(cancelAcquire)時(shí)，執(zhí)行了如下操作：successor.waitStatus=1 ; successor.next = successor;

if (s == null || s.waitStatus > 0) {

s = null;

// 從尾節(jié)點(diǎn)開始往前找，找到最前面的非取消的節(jié)點(diǎn) 這里沒(méi)有break 哦

for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)

if (t.waitStatus <= 0)

s = t;

}

if (s != null)

// 喚醒線程 ，喚醒的線程會(huì)從acquireQueued去獲取鎖

LockSupport.unpark(s.thread);

}

釋放鎖代碼比較簡(jiǎn)單，基本都寫在代碼注釋里面了，流程如下：

這段代碼里面有一個(gè)比較經(jīng)典的面試題：

如果頭結(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為空或者頭結(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為取消的時(shí)候?yàn)槭裁匆獜暮笸罢?#xff0c;找到最前面非取消的節(jié)點(diǎn)？

node.prev = pred; compareAndSetTail(pred, node) 這兩個(gè)地方可以看作Tail入隊(duì)的原子操作，但是此時(shí)pred.next = node;還沒(méi)執(zhí)行，如果這個(gè)時(shí)候執(zhí)行了unparkSuccessor方法，就沒(méi)辦法從前往后找了，所以需要從后往前找。

在產(chǎn)生CANCELLED狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，先斷開的是Next指針，Prev指針并未斷開，因此也是必須要從后往前遍歷才能夠遍歷完全部的Node

總結(jié)

reentrantLock的獲取鎖和釋放鎖基本就講完了，里面還涉及多比較多的細(xì)節(jié)，感興趣的同學(xué)可以對(duì)著源碼一行一行去debug試試。

適當(dāng)?shù)牧私鈇qs才能更好的學(xué)習(xí)CountDownLatch、CyclicBarrier、Sempahore，因?yàn)檫@三個(gè)利器都是基于aqs來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)束

由于自己才疏學(xué)淺，難免會(huì)有紕漏，假如你發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤的地方，還望留言給我指出來(lái),我會(huì)對(duì)其加以修正。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的争时金融java_Java高并发编程基础之AQS的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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