深入理解AbstractQueuedSynchronizer抽象队列
由上一篇我们对可重入锁和读写锁的学习，已经初步了解到锁的底层实现原理，今天让我们来对锁进一步的封装
文章目录
- 队列同步器
- 队列同步器的接口与示例
- 队列同步器的实现分析
- 手写实现一个简易AQS
队列同步器
- 队列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下简称同步器），是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作，并发包的作者（Doug Lea）期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。*
- 同步器是实现锁（也可以是任意同步组件）的关键，在锁的实现中聚合同步器，利用同步器实现锁的语义。可以这样理解二者之间的关系：锁是面向使用者的，它定义了使用者与锁交互的接口（比如可以允许两个线程并行访问），隐藏了实现细节；同步器面向的是锁的实现者，它简化了锁的实现方式，屏蔽了同步状态管理、线程的排队、等待与唤醒等底层操作。锁和同步器很好地隔离了使用者和实现者所需关注的领域。*
队列同步器的接口与示例
重写同步器指定的方法时，需要使用同步器提供的如下3个方法来访问或修改同步状态。
- getState()：获取当前同步状态。
- setState(int newState)：设置当前同步状态。
- compareAndSetState(int expect,int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。
同步器提供的模板方法基本上分为3类：独占式获取与释放同步状态、共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。自定义同步组件将使用同步器提供的模板方法来实现自己的同步语义。
只有掌握了同步器的工作原理才能更加深入地理解并发包中其他的并发组件，所以下面通过一个独占锁的示例来深入了解一下同步器的工作原理。
class Mutex implements Lock {
// 静态内部类，自定义同步器
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 是否处于占用状态
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
// 当状态为0的时候获取锁
public boolean tryAcquire(int acquires) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
// 释放锁，将状态设置为0
protected boolean tryRelease(int releases) {
if (getState() == 0) throw new
IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
// 返回一个Condition，每个condition都包含了一个condition队列
Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
// 仅需要将操作代理到Sync上即可
private final Sync sync = new Sync();
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
}
public boolean hasQueuedThreads() {
return sync.hasQueuedThreads();
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
}
上述示例中，独占锁Mutex是一个自定义同步组件，它在同一时刻只允许一个线程占有锁。Mutex中定义了一个静态内部类，该内部类继承了同步器并实现了独占式获取和释放同步状态。在tryAcquire(int acquires)方法中，如果经过CAS设置成功（同步状态设置为1），则代表获取了同步状态，而在tryRelease(int releases)方法中只是将同步状态重置为0。用户使用Mutex时并不会直接和内部同步器的实现打交道，而是调用Mutex提供的方法，在Mutex的实现中，以获取锁的lock()方法为例，只需要在方法实现中调用同步器的模板方法acquire(int args)即可，当前线程调用该方法获取同步状态失败后会被加入到同步队列中等待，这样就大大降低了实现一个可靠自定义同步组件的门槛。
队列同步器的实现分析
接下来将从实现角度分析同步器是如何完成线程同步的，主要包括：同步队列、独占式同步状态获取与释放、共享式同步状态获取与释放以及超时获取同步状态等同步器的核心数据结构与模板方法。
节点是构成同步队列的基础，同步器拥有首节点（head）和尾节点（tail），没有成功获取同步状态的线程将会成为节点加入该队列的尾部，同步队列的基本结构如图所示。
同步器将节点加入到同步队列的过程如下图所示
独占式锁的获取过程也就是acquire()方法的执行流程如下图所示：
以上就是同步器的工作原理以及实现方式
手写实现一个简易AQS
ReentrantLock类实现代码，与之前文章锁的实现方式差别在于将可重入锁与读写锁共同的实现代码都放在了AQS的实现队列中，提高了代码的可复用性:
public class MartionReentrantLock implements Lock {
private boolean isFair;
public MartionReentrantLock(boolean isFair){
this.isFair = isFair;
}
MattionAQS mask = new MattionAQS(){
@Override
public boolean tryLock(int acquires){
if (isFair){
return tryFairLock(acquires);
}else{
return tryNonFairLock(acquires);
}
}
//尝试获取独占锁
public boolean tryNonFairLock(int acquires) {
//如果read count ！=0 返回false
if (readCount.get() !=0)
return false;
int wct = writeCount.get(); //拿到 独占锁 当前状态
if (wct==0){
if (writeCount.compareAndSet(wct, wct + acquires)){ //通过修改state来抢锁
owner.set(Thread.currentThread()); // 抢到锁后，直接修改owner为当前线程
return true;
}
}else if (owner.get() == Thread.currentThread()){
writeCount.set(wct + acquires); //修改count值
return true;
}
return false;
}
public boolean tryFairLock(int acquires){
//如果read count ！=0 返回false
if (readCount.get() !=0)
return false;
int wct = writeCount.get(); //拿到 独占锁 当前状态
if (wct==0){
MartionAQS.WaitNode head = waiters.peek();
if (head!=null && head.thread == Thread.currentThread()&&
writeCount.compareAndSet(wct, wct + acquires)){ //通过修改state来抢锁
owner.set(Thread.currentThread()); // 抢到锁后，直接修改owner为当前线程
return true;
}
}else if (owner.get() == Thread.currentThread()){
writeCount.set(wct + acquires); //修改count值
return true;
}
return false;
}
//尝试释放独占锁
@Override
public boolean tryUnlock(int releases) {
//若当前线程没有 持有独占锁
if(owner.get()!= Thread.currentThread()){
throw new IllegalMonitorStateException(); //抛IllegalMonitorStateException
}
int wc= writeCount.get();
int nextc = wc - releases; //计算 独占锁剩余占用
writeCount.set(nextc); //不管是否完全释放，都更新count值
if (nextc==0){ //是否完全释放
owner.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);
return true;
}else{
return false;
}
}
};
@Override
public void lock(){
mask.lock();
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return false;
}
@Override
public Condition newCondition() {
return null;
}
@Override
public boolean tryLock(){
return mask.tryLock(1);
}
@Override
public void unlock(){
mask.unlock();
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
}
ReentrantReadWriteLock的代码实现方式：
public class MartionReadWriteLock implements ReadWriteLock {
MartionAQS mask = new MartionAQS(){
//尝试获取独占锁
@Override
public boolean tryLock(int acquires) {
//如果read count ！=0 返回false
if (readCount.get() !=0)
return false;
int wct = writeCount.get(); //拿到 独占锁 当前状态
if (wct==0){
if (writeCount.compareAndSet(wct, wct + acquires)){ //通过修改state来抢锁
owner.set(Thread.currentThread()); // 抢到锁后，直接修改owner为当前线程
return true;
}
}else if (owner.get() == Thread.currentThread()){
writeCount.set(wct + acquires); //修改count值
return true;
}
return false;
}
//尝试释放独占锁
@Override
public boolean tryUnlock(int releases) {
//若当前线程没有 持有独占锁
if(owner.get()!= Thread.currentThread()){
throw new IllegalMonitorStateException(); //抛IllegalMonitorStateException
}
int wc= writeCount.get();
int nextc = wc - releases; //计算 独占锁剩余占用
writeCount.set(nextc); //不管是否完全释放，都更新count值
if (nextc==0){ //是否完全释放
owner.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);
return true;
}else{
return false;
}
}
//尝试获取共享锁
@Override
public int tryLockShared(int acquires) {
for (;;){
if (writeCount.get()!=0 &&
owner.get() != Thread.currentThread())
return -1;
int rct = readCount.get();
if (readCount.compareAndSet(rct, rct + acquires)){
return 1;
}
}
}
//尝试解锁共享锁
@Override
public boolean tryUnLockShared(int releases) {
for(;;){
int rc = readCount.get();
int nextc = rc - releases;
if (readCount.compareAndSet(rc, nextc)){
return nextc==0;
}
}
}
};
@Override
public Lock readLock() {
return new Lock() {
@Override
public void lock() {
mask.lockShared();
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
}
@Override
public boolean tryLock() {
return mask.tryLockShared(1) == 1;
}
@Override
public void unlock() {
mask.unLockShared();
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return false;
}
@Override
public Condition newCondition() {
return null;
}
};
}
@Override
public Lock writeLock() {
return new Lock() {
@Override
public void lock() {
mask.lock();
}
@Override
public boolean tryLock() {
return mask.tryLock(1);
}
@Override
public void unlock() {
mask.unlock();
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return false;
}
@Override
public Condition newCondition() {
return null;
}
};
}
}
AQS同步队列实现类
public class MattionAQS {
AtomicInteger readCount = new AtomicInteger(0);
AtomicInteger writeCount = new AtomicInteger(0);
//独占锁 拥有者
AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
//等待队列
public volatile LinkedBlockingQueue<WaitNode> waiters = new LinkedBlockingQueue<WaitNode>();
class WaitNode{
int type = 0; //0 为想获取独占锁的线程， 1为想获取共享锁的线程
Thread thread = null;
int arg = 0;
public WaitNode(Thread thread, int type, int arg){
this.thread = thread;
this.type = type;
this.arg = arg;
}
}
//获取独占锁
public void lock() {
int arg = 1;
//尝试获取独占锁，若成功，退出方法， 若失败...
if (!tryLock(arg)){
//标记为独占锁
WaitNode waitNode = new WaitNode(Thread.currentThread(), 0, arg);
waiters.offer(waitNode); //进入等待队列
//循环尝试拿锁
for(;;){
//若队列头部是当前线程
WaitNode head = waiters.peek();
if (head!=null && head.thread == Thread.currentThread()){
if (!tryLock(arg)){ //再次尝试获取 独占锁
LockSupport.park(); //若失败，挂起线程
} else{ //若成功获取
waiters.poll(); // 将当前线程从队列头部移除
return; //并退出方法
}
}else{ //若不是队列头部元素
LockSupport.park(); //将当前线程挂起
}
}
}
}
//释放独占锁
public boolean unlock() {
int arg = 1;
//尝试释放独占锁 若失败返回true，若失败...
if(tryUnlock(arg)){
WaitNode next = waiters.peek(); //取出队列头部的元素
if (next !=null){
Thread th = next.thread;
LockSupport.unpark(th); //唤醒队列头部的线程
}
return true; //返回true
}
return false;
}
//获取共享锁
public void lockShared() {
int arg = 1;
if (tryLockShared(arg) < 0){ //如果tryAcquireShare失败
//将当前进程放入队列
WaitNode node = new WaitNode(Thread.currentThread(), 1, arg);
waiters.offer(node); //加入队列
for (;;){
//若队列头部的元素是当前线程
WaitNode head = waiters.peek();
if (head!=null && head.thread == Thread.currentThread()){
if (tryLockShared(arg) >=0){ //尝试获取共享锁， 若成功
waiters.poll(); //将当前线程从队列中移除
WaitNode next = waiters.peek();
if (next!=null && next.type==1){ //如果下一个线程也是等待共享锁
LockSupport.unpark(next.thread); //将其唤醒
}
return; //退出方法
}else{ //若尝试失败
LockSupport.park(); //挂起线程
}
}else{ //若不是头部元素
LockSupport.park();
}
}
}
}
//解锁共享锁
public boolean unLockShared() {
int arg = 1;
if (tryUnLockShared(arg)){ //当read count变为0，才叫release share成功
WaitNode next = waiters.peek();
if (next!=null){
LockSupport.unpark(next.thread);
}
return true;
}
return false;
}
//尝试获取独占锁
public boolean tryLock(int acquires) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//尝试释放独占锁
public boolean tryUnlock(int releases) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//尝试获取共享锁
public int tryLockShared(int acquires) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//尝试解锁共享锁
public boolean tryUnLockShared(int releases) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
小结：
AQS的核心包括了这些方面:同步队列，独占式锁的获取和释放，共享锁的获取和释放以及可中断锁，超时等待锁获取这些特性的实现，而这些实际上则是AQS提供出来的模板方法