剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

2020年2月12日20:13:04
评论

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

 1 public final void acquire(int arg) { 2     if (!tryAcquire(arg) && 3         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 4         selfInterrupt(); 5 }

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:

 1 private Node addWaiter(Node mode) { 2     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 3     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure 4     Node prev = tail; 5     if (prev != null) { 6         node.prev = prev; 7         if (compareAndSetTail(prev, node)) { 8             prev.next = node; 9             return node;10         }11     }12     enq(node);13     return node;14 }

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:

  1. 新生成的Node的前驱节点指向prev

  2. 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:

 1 private Node enq(final Node node) { 2     for (;;) { 3         Node t = tail; 4         if (t == null) { // Must initialize 5             if (compareAndSetHead(new Node())) 6                 tail = head; 7         } else { 8             node.prev = t; 9             if (compareAndSetTail(t, node)) {10                 t.next = node;11                 return t;12             }13         }14     }15 }

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):

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 2     boolean failed = true; 3     try { 4         boolean interrupted = false; 5         for (;;) { 6             final Node p = node.prevecessor(); 7             if (p == head && tryAcquire(arg)) { 8                 setHead(node); 9                 p.next = null; // help GC10                 failed = false;11                 return interrupted;12             }13             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&14                 parkAndCheckInterrupt())15                 interrupted = true;16         }17     } finally {18         if (failed)19             cancelAcquire(node);20     }21 }

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:

 1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node prev, Node node) { 2     int ws = prev.waitStatus; 3     if (ws == Node.SIGNAL) 4         /* 5          * This node has already set status asking a release 6          * to signal it, so it can safely park. 7          */ 8         return true; 9     if (ws > 0) {10         /*11          * prevecessor was cancelled. Skip over prevecessors and12          * indicate retry.13          */14         do {15             node.prev = prev = prev.prev;16         } while (prev.waitStatus > 0);17         prev.next = node;18     } else {19         /*20          * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we21          * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to22          * retry to make sure it cannot acquire before parking.23          */24         compareAndSetWaitStatus(prev, ws, Node.SIGNAL);25     }26     return false;27 }

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:

        LockSupport.park(

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:

1 public final boolean release(int arg) {2     if (tryRelease(arg)) {3         Node h = head;4         if (h != null && h.waitStatus != 0)5             unparkSuccessor(h);6         return true;7     }8     return false;9 }

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:

 1 private void unparkSuccessor(Node node) { 2         /* 3          * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try 4          * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this 5          * fails or if status is changed by waiting thread. 6          */ 7         int ws = node.waitStatus; 8         if (ws < 0) 9             compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);10 11         /*12          * Thread to unpark is held in successor, which is normally13          * just the next node.  But if cancelled or apparently null,14          * traverse backwards from tail to find the actual15          * non-cancelled successor.16          */17         Node s = node.next;18         if (s == null || s.waitStatus > 0) {19             s = null;20             for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)21                 if (t.waitStatus <= 0)22                     s = t;23         }24         if (s != null)25             LockSupport.unpark(s.thread);26 }

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:

 1 /** 2  * @author 五月的仓颉 3  */ 4 public class AbstractQueuedSynchronizerTest { 5  6     @Test 7     public void testAbstractQueuedSynchronizer() { 8         Lock lock = new ReentrantLock(); 9         10         Runnable runnable0 = new ReentrantLockThread(lock);11         Thread thread0 = new Thread(runnable0);12         thread0.setName("线程0");13         14         Runnable runnable1 = new ReentrantLockThread(lock);15         Thread thread1 = new Thread(runnable1);16         thread1.setName("线程1");17         18         Runnable runnable2 = new ReentrantLockThread(lock);19         Thread thread2 = new Thread(runnable2);20         thread2.setName("线程2");21         22         thread0.start();23         thread1.start();24         thread2.start();25         26         for (;;);27     }28     29     private class ReentrantLockThread implements Runnable {30         31         private Lock lock;32         33         public ReentrantLockThread(Lock lock) {34             this.lock = lock;35         }36         37         @Override38         public void run() {39             try {40                 lock.lock();41                 for (;;);42             } finally {43                 lock.unlock();44             }45         }46         47     }48     49 }

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:

 1 private Node addWaiter(Node mode) { 2     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 3     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure 4     Node prev = tail; 5     if (prev != null) { 6         node.prev = prev; 7         if (compareAndSetTail(prev, node)) { 8             prev.next = node; 9             return node;10         }11     }12     enq(node);13     return node;14 }
 1 private Node enq(final Node node) { 2     for (;;) { 3         Node t = tail; 4         if (t == null) { // Must initialize 5             if (compareAndSetHead(new Node())) 6                 tail = head; 7         } else { 8             node.prev = t; 9             if (compareAndSetTail(t, node)) {10                 t.next = node;11                 return t;12             }13         }14     }15 }

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 2     boolean failed = true; 3     try { 4         boolean interrupted = false; 5         for (;;) { 6             final Node p = node.prevecessor(); 7             if (p == head && tryAcquire(arg)) { 8                 setHead(node); 9                 p.next = null; // help GC10                 failed = false;11                 return interrupted;12             }13             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&14                 parkAndCheckInterrupt())15                 interrupted = true;16         }17     } finally {18         if (failed)19             cancelAcquire(node);20     }21 }
 1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node prev, Node node) { 2     int ws = prev.waitStatus; 3     if (ws == Node.SIGNAL) 4         /* 5          * This node has already set status asking a release 6          * to signal it, so it can safely park. 7          */ 8         return true; 9     if (ws > 0) {10         /*11          * prevecessor was cancelled. Skip over prevecessors and12          * indicate retry.13          */14         do {15             node.prev = prev = prev.prev;16         } while (prev.waitStatus > 0);17         prev.next = node;18     } else {19         /*20          * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we21          * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to22          * retry to make sure it cannot acquire before parking.23          */24         compareAndSetWaitStatus(prev, ws, Node.SIGNAL);25     }26     return false;27 }

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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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默认的费公平模式,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:

剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点

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:

 1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 2     LockSupport.park(this); 3     return Thread.interrupted(); 4 }

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。

以上就是剖析AbstractQueuedSynchronizer:独占模式重难点的详细内容,更多请关注php教程其它相关文章!

企鹅博客
  • 本文由 发表于 2020年2月12日20:13:04
  • 转载请务必保留本文链接:https://www.qieseo.com/332501.html

发表评论