队列同步器(AQS)介绍
队列同步器(AQS)介绍
队列同步器AbstractQueuedSynchronizer，下文简称同步器，是用于构建锁、同步组件的底层框架，使用了一个int成员变量来表示同步状态，内置了FIFO队列完成获取资源的线程排队安排。
队列同步器的使用方式是继承，源码中的注释使用也推荐使用继承。子类通过继承重写方法来控制同步状态。一般来说子类推荐定义为自定义同步组件的静态内部类，同步器本身不实现任何同步接口，只是定义了用于获取同步状态和释放的方法供自定义组件使用，同步器支持独占获取同步状态和共享获取同步状态，这样方便实现不同类型的同步组件，比如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等。
// 源码中的使用demo
class BooleanLatch {
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
boolean isSignalled() {
return getState() != 0;
}
protected int tryAcquireShared(int ignore) {
return isSignalled() ? 1 : -1;
}
protected boolean tryReleaseShared(int ignore) {
setState(1);
return true;
}
}
private final Sync sync = new Sync();
public boolean isSignalled() {
return sync.isSignalled();
}
public void signal() {
sync.releaseShared(1);
}
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
}AQS接口和实例
AQS提供了三类接口：
第一类：3个访问和修改同步状态的方法
- getState()：获取当前同步状态
- setState()：设置当前同步状态
- compareAndSetState(int expect, int update)：CAS修改当前状态
第二类：可重新的5个方法
- isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源，只有用到condition才需要实现
- tryAcquire(int arg)：尝试以独占模式获取资源，成功返回true，否则false
- tryRelease()：尝试释放独占资源，成功返回true，否则false
- tryAcquireShared：尝试以共享方式获取资源，负数表示失败；0表示成功，但是没有可使用资源了；正数表示成功且有剩余资源
- tryReleaseShared(int arg)：共享方式，尝试释放资源，成功返回true，否则false
第三类：9个模板方法
| 方法 | 作用 |
|---|---|
| void acquire(int arg) | 独占式获取同步状态，如果当前线程能成功获取，则该方法返回，否则进入同步队列等待 |
| void aquireInterruptibly(int arg) | 与acquire相同，但是可以响应中断 |
| boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanos) | aquireInterruptibly基础上增加超市机制，指定时间获取同步状态失败返回false，否则true |
| void aquireShared(int arg) | 共享获取同步状态，未获取到进入等待队列 |
| void aquireSharedInterruptibly(int arg) | aquireShared增加响应中断 |
| boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanos) | aquireSharedInterruptibly增加超时机制 |
| boolean release(int arg) | 独占式释放同步状态，释放后会唤醒等待队列的第一个节点 |
| boolean releaseShared(int arg) | 共享式释放同步状态 |
| Collection |
获取等待在同步队列的线程集合 |
示例
class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
public boolean tryAcquire(int acquires) {
assert acquires == 1;
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryRelease(int releases) {
assert releases == 1;
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
private void readObject(ObjectInputStream s) throws IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0);
}
}
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));
}
}AQS实现分析
同步队列
-
队列节点：节点Node是构成同步队列的基础，获取同步状态失败的线程会被包装成一个节点加入同步队列的尾部
Node属性介绍
属性 描述 int waitStatus 等待状态，有多个状态
1、CANCELLED：值为1，由于在同步队列中等待的线程超时或者被中断，需要从同步队列中取消等待，节点状态变成该状态后不会再发生改变
2、SIGNAL：值为-1，后继节点的线程处于等待状态，如果当前节点线程释放同步状态或者被取消，就会通知后继节点
3、CONDITION：值-2，节点在等待队列中，节点线程等待Condition。其他线程对Condition调用signal方法后，该节点将从等待队列转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
4、PROPAGATE：值-3，表示下一个共享同步状态获取将会无条件传播Node prev 前驱节点 Node next 后继节点 Node nextWaiter 等待队列中的后继节点 Thread thread 获取同步状态的线程 -
队列结构
-
**新节点加入：**有新节点准备加入时，需要保证线程安全，同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点方法
compareAndSetTail(Node expectm Node update)，只有设置成功后新加入节点才能与之前的尾节点建立关联。 -
**首节点释放：**同步队列是FIFO，首节点就是成功获取同步状态的节点，释放的时候会唤醒后继节点，后继节点获取同步状态成功后会将自己设置为首节点
独占式同步获取和释放
获取同步状态时，同步器维护一个同步队列，获取失败的都会加入队列并且自旋；释放的时候会调用tryRelease方法释放并且唤醒后继节点。移除节点需要满足后继节点获取同步状态且设置为新节点
独占式获取同步状态流程：
共享式同步获取实现
在acquireShared方法中，同步器会调用tryAcquireShared方法尝试获得同步状态，tryAcquireShared方法返回值大于大于0时表示能够获取同步状态；释放是调用releaseShared方法。
独占式超时获取与释放
调用doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)方法可以超时获取同步状态，成功获取true，失败返回false；如果nanosTimeout设置小于等于spinForTimeoutThreshold则不会使该线程超时等待，而是直接进入自旋状态。
