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前言
AQS,英文全称AbstractQueuedSynchronizer,直接翻译为抽象的队列同步器。是JDK1.5出现的一个用于解决并发问题的工具类,由大名鼎鼎的Doug Lea打造,与synchornized关键字不同的是,AQS是通过代码解决并发问题。
回顾并发问题
并发问题是指在多线程运行环境下,共享资源安全的问题。
现在的银行账户,通过银行卡和手机银行都可以操作账户, 如果我们同时拿着银行卡和存折去银行搞事情,会怎么样呢?
package demo.pattren.aqs;
public class Money {
/**
* 假设现在账户有1000块钱
*/
private int money = 1000;
/**
* 取钱
*/
public void drawMoney(){
this.money--;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Money money = new Money();
for(int i=0; i<1000; i++){
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
money.drawMoney();
},i + "").start();
}
Thread.sleep(2000);
System.out.println("当前账户余额:" + money.money);
}
}
这样想着是不是马上可以去银行搞一波事情? 哈哈,你想太多了,如果能这样搞,银行早破产了。我们主要是来分析一下出现这个问题的原因,JVM内存是JMM结构的,每个线程操作的数据是从主内存中复制的一个和备份,而多个线程就会存在多个备份,当线程中的备份数据被修改时,会将值刷新到主内存,比如多个线程同时获取到了账户的余额为500元,A线程存钱100,线程A将600刷新到主内存,,所以主内存的值此时与其他线程的值是不同的,如果其他线程再操作账户余额,是在500的基础上进行的,这显然不是我们想要的结果。
解决并发问题
JDK提供了多种解决多线程安全的方式。
volatile关键字
volatile是JDK提供的关键字,用来修饰变量,volatile修饰的变量能够保证多个线程下的可见性,如上个案例,A修改了账户的余额,然后将最新的值刷新到主内存,此时主内存会将最新的值同步到其他线程。
volatile解决了多线程下数据读取一致的问题,,
当多个线程同时写操作的时候,即多个线程同时去将线程中最新的值刷新到主内存,将会出现问题。
通过volatile关键字修饰money变量,发下并不能解决线程安全问题。
原子操作类
原子操作类是JDK提供的一系列保证原子操作的工具类,原子类可以保证多线程环境下对其值的操作是安全的。
package demo.pattren.aqs;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicMoney {
/**
* 假设现在账户有1000块钱
*/
private AtomicInteger money = new AtomicInteger(1000);
/**
* 取钱
*/
public void drawMoney(){
//AtomicInteger的自减操作
this.money.getAndDecrement();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicMoney money = new AtomicMoney();
for(int i=0; i<1000; i++){
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
money.drawMoney();
},i + "").start();
}
Thread.sleep(2000);
System.out.println("当前账户余额:" + money.money);
}
}
多次测试结果都是0,与预期一致。原子操作类是使用CAS(Compare and swap 比较并替换)的机制来保证操作的原子性,相对于锁,他的并发性更高。
synchronized关键字
synchronized关键字是jvm层面来保证线程安全的,通过在代码块前后添加monitorenter与monitorexit命令来保证线程的安全,而且在JDK1.6对synchronized关键字做了较大的优化,性能有了较大的提升。可以确定的是,通过synchronized肯定可以保证线程安全,所以使用synchronized也是很好的选择,当然synchronized锁的升级不可逆特征,导致在高并发下性能是不能很好的保证。
Lock锁
终于迎来了本篇文章的主角,前面的内容,其实与文章的主题AQS并没有直接的关联,就简单带过。前面很多都是JVM层面来保证线程安全的,而AQS则是完全通过代码层面来处理线程安全的。
(PS:小节标题明明是Lock锁,怎么写AQS了,骗我读书少)
博主怕挨打,正在全力解释中~~~~~。先上类图压场!
如上图,左边是抽象队列同步器,而右边则是使用队列同步器实现的功能——锁、信号量、发令枪等。
可以先不看源码,咱们自己思考,要以纯代码的方式实现应当考虑哪些问题?
- 线程互斥:可以使用state状态进行判断,state=0,则可以获取到锁,state>0,则不能获取。
- 排队等候:不能获取锁的线程应当存储起来,当锁释放后可以继续获取锁执行。
- 线程唤醒:当锁释放后,处于等待状态的线程应当被唤醒。
- 锁重入 : 如何解决同一个进入多个加锁的方法(不解决的话分分钟死锁给你看)。
对于1、2两点,难度应带不大,而3、4两点如何去设计呢?我们通过伪代码预演操作流程。
在业务端,是这样操作的。
加锁
{需要被锁住的代码}
释放锁
加锁与释放锁的逻辑
if(state == 0)
获取到锁
set(state == 1)
else
继续等待
while(true){
if(state == 0)
再次尝试获取锁
}
这样设计之后,整个操作流程再次变成了串行操作。
这和我们去食堂排队打饭是一样的,食堂不可能为每个学生都开放一个窗口,所以多个学生就会争抢有限的窗口,如果没有一定的控制,那么食堂每到吃饭的时候都是乱套的,一群学生围着窗口同时去打饭,想想都是多么的恐怖。而由此出现了排队的机制,一个窗口同一时间打饭的人只能有一个,当前一个人离开窗口后,后面排队的学生才能去打饭。
源码解读
下面我们深入JDK源码,领略大师级的代码设计。
业务调用代码:
package demo.aqs;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockMoney {
Lock lock = new ReentrantLock();
/**
* 假设现在账户有1000块钱
*/
private int money = 1000;
//private int money = 1000;
/**
* 取钱
*/
public void drawMoney(){
lock.lock();
this.money--;
lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LockMoney money = new LockMoney();
for(int i=0; i<1000; i++){
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
money.drawMoney();
},i + "").start();
}
Thread.sleep(2000);
System.out.println("当前账户余额:" + money.money);
}
}
追踪Lock方法:
直接看源码基本一会儿就晕车,我尝试绘制出lock方法的调用链路。然后结合源码解释。
大家跟着箭头走一遍源码,多多少少能够体会到AQS的实现机制。
NonfairSync.lock
final void lock() {
//CAS尝试将state从0更新为1,更新成功则执行if下面的代码。
if (compareAndSetState(0, 1))
//获取锁成功,执行线程执行
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
//获取锁失败,线程入队列
acquire(1);
}
看到这段代码,是不是瞬间明白前面提到的1、2两点问题。首先compareAndSetState方法是使用Unsafe直接操作内存并且使用乐观锁的方式,能够保证有且仅有一个线程能够操作成功,是多线程安全的。即设置将state设置为1成功的线程能够抢占到锁(线程互斥),而没有设置成功的线程将进行入队操作(排队等候),这样感觉瞬间明朗了许多,那我们接着往下看。
AbstractQueuedSynchronizor.acquire
public final void acquire(int arg) {
//tryAcquire失败并且acquireQueued成功,则调用selfInterrupt
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//当线程获取锁失败并且线程阻塞失败会中断线程
selfInterrupt();
}
AbstractQueuedSynchronizor的tryAcquire方法,其最终调用到了Sync的nonfairTryAcquire
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前锁的状态值
int c = getState();
// state = 0,表示当前锁为空闲状态,其实这一段代码和前面lock的方法是一样的
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//不等于0 则判断当前线程是否为持有锁的线程,如果是则执行代码,这里解决了重入锁问题
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//当前状态值 + 1(可以看前面的传参)
int nextc = c + acquires;
// 囧, 这里是超出了int的最大值才会出现这样的情况
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//更新state的值
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
通过阅读源码,可以发现,tryAcquire方法在当前线程获取锁成功或者是重入锁的情况下返回true,否则返回false。而同时这个方法解决了上面提到的第4点锁重入的问题。ok,感觉越来越接近真相了,接着看addWaiter方法。
理解addWaiter方法的代码,先看方法中用的得Node对象。 Node对象是对Thread对象的封装,使其具有线程的功能,同时他还有prev、next等属性。那么很明了,Node是一个链表结构的对象
//前一个结点
volatile Node prev;
//下一个结点
volatile Node next;
同时AbstractQueuedSynchronizor中包含head、tail属性
//Node链表的头结点
private transient volatile Node head;
//Node链表的尾结点
private transient volatile Node tail;
private Node addWaiter(Node mode) {
//将当前线程包装为Node对象
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//获取尾节点,当这段代码第一次运行的时候,并没有尾结点
//所以肯定值为null,那么会执行下面的enq方法
Node pred = tail;
//当再次运行代码的时候,尾结点不再为null(enq方法初始化了尾结点,可以先往下看enq方法源码)
if (pred != null) {
//当前结点的前置结点指向之前的尾结点
node.prev = pred;
//CAS尝试将尾结点从pred设置为node
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
//设置成功则将pred的next结点执行node
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
上面的解释听着有点绕脑袋。
不着急,我们先看enq方法
private Node enq(final Node node) {
//死循环
for (;;) {
//获取尾结点
Node t = tail;
//尾结点为空,则初始化尾结点和头结点为同一个新创建的Node对象
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//将当前结点设为为尾结点,并将前一个尾结点的next指向当前结点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
//退出循环
return t;
}
}
}
}
enq具体做了什么事情呢:
- 第一次循环,初始化头结点与尾结点 new Node()
- 第二次循环,将当前线程封装的Node对象设置为尾结点,并将前一个尾结点的next指向此Node
这里需要一些时间 + 空间的想象力,但如果对链表结构比较熟悉的话,这里理解也是不太困难的。
我们动态的想一想执行过程:
第一个线程进入lock方法,此时是肯定可以获取到锁,直接执行,不会进入到addWaiter方法
-
第二个线程进入lock方法,我们假设第一个线程还没有释放锁,此时进入执行enq方法,enq进行链表的初始化。
-
第三个线程以及更多的线程进入lock方法,此时不再执行enq方法,而是在初始化之后的链表进行链接。
acquireQueued
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
//局部变量
boolean failed = true;
try {
//局部变量
boolean interrupted = false;
//死循环
for (;;) {
//获取前置结点
final Node p = node.predecessor();
//前置结点为head并且尝试获取锁成功,则不阻塞
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//阻塞操作 , 判断是否应该阻塞 并且 阻塞是否成功
if (
//是否在抢占锁失败后阻塞
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//Unsafe操作使线程阻塞
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
shouldParkAfterFailedAcquire分析
//Node pred 前置结点, Node node 当前结点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取前置结点的等待状态
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* 唤醒信号,即前结点正常,就设置waitStatus为SIGNAL,表示前置结点可以唤醒当前结点,那 * 么当前结点才会安心的被阻塞(如果前置结点不正常,可能就会导致自己不能被唤醒,那肯定不 * 能安心睡觉的)
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* 找到前置结点中waitStatus <= 0 的Node结点并设置为当前结点的前置结点
* 此状态表示结点不是处于正常状态,那么将他从链表中删除,直到找到状态正常的结点
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* 当waitStatus = 0 或者 PROPAGATE(-3) 时,CAS设置值为SIGNAL(-1)
* 此状态表示线程正常,但没有设置唤醒,一般为tail的前一个结点,那么需要将其设置为可唤醒 * 状态(SIGNAL)
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
图解如下。
至此,我们了解了AQS对需要等待的线程存储的过程。
参考答案
如果面试中被问道是否了解AQS的机制,而你又恰好看到了此文,那么基本上可以拿下。
你可以这样回答
AQS是抽象的队列同步器,是Lock、ReentrantLock、CountDownLanch等实现多线程安全的一种机制,内部通过state状态实现线程互斥,而状态值的改变使用的是CAS机制来保证只会有一个线程可以set成功从而获取到锁,而没有获取到锁的线程则会被封装为Node对象,Node对象是同步器构建了双向链表结构,遵循先进先出原则(FIFO)。
这样是比较基础的一个回答,表示你对AQS还是比较了解,如果你对源码以及机制记忆的比较熟悉,那么可引导面试官:
并且我自己平时比较喜欢研究源码,也深入过AQS研究了他的一些实现源码。
基本上听到这里,大概率面试官会想要了解你对源码的了解程度。如果能够说一部分,那么这都会给你加分。
AQS的解锁以及公平锁、非公平锁,共享锁、独享锁等后续跟上。
参考资料:
https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html
https://www.jianshu.com/p/d61f025ad836