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java同步器AQS架構如何釋放鎖定和同步佇列

WBOY
發布: 2023-05-11 17:16:15
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    引導語

    AQS 的內容太多,所以我們分成了兩個章節,沒有看過AQS 上半章節的同學可以回首看一下哈,上半章節裡面說了很多鎖的基本概念,基本屬性,如何獲得鎖等等,本章我們主要聊下如何釋放鎖和同步隊列兩大部分。

    1、釋放鎖定

    釋放鎖定的觸發時機就是我們常用的Lock.unLock () 方法,目的就是讓執行緒釋放對資源的存取權(流程見整體架構圖紫色路線)。

    釋放鎖也是分為兩類,一類是排它鎖的釋放,一類是共享鎖的釋放,我們分別來看下。

    1.1、釋放排它鎖release

    排它鎖的釋放就比較簡單了,從隊頭開始,找它的下一個節點,如果下一個節點是空的,就會從尾開始,一直找到狀態不是取消的節點,然後釋放該節點,原始碼如下:

    // unlock 的基础方法
    public final boolean release(int arg) {
        // tryRelease 交给实现类去实现,一般就是用当前同步器状态减去 arg,如果返回 true 说明成功释放锁。
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            // 头节点不为空,并且非初始化状态
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 从头开始唤醒等待锁的节点
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    // 很有意思的方法,当线程释放锁成功后,从 node 开始唤醒同步队列中的节点
    // 通过唤醒机制,保证线程不会一直在同步队列中阻塞等待
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        // node 节点是当前释放锁的节点,也是同步队列的头节点
        int ws = node.waitStatus;
        // 如果节点已经被取消了,把节点的状态置为初始化
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        // 拿出 node 节点的后面一个节点
        Node s = node.next;
        // s 为空,表示 node 的后一个节点为空
        // s.waitStatus 大于0,代表 s 节点已经被取消了
        // 遇到以上这两种情况,就从队尾开始,向前遍历,找到第一个 waitStatus 字段不是被取消的
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            // 这里从尾迭代,而不是从头开始迭代是有原因的。
            // 主要是因为节点被阻塞的时候,是在 acquireQueued 方法里面被阻塞的,唤醒时也一定会在 acquireQueued 方法里面被唤醒,唤醒之后的条件是,判断当前节点的前置节点是否是头节点,这里是判断当前节点的前置节点,所以这里必须使用从尾到头的迭代顺序才行,目的就是为了过滤掉无效的前置节点,不然节点被唤醒时,发现其前置节点还是无效节点,就又会陷入阻塞。
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                // t.waitStatus <= 0 说明 t 没有被取消,肯定还在等待被唤醒
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        // 唤醒以上代码找到的线程
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
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    1.2、釋放共享鎖定releaseShared

    釋放共享鎖定的方法是releaseShared,主要分成兩個步驟:

    tryReleaseShared 嘗試釋放當前共享鎖定,失敗返回false,成功走2;

    喚醒當前節點的後續阻塞節點,這個方法我們之前看過了,線程在獲得共享鎖的時候,就會去喚醒其後面的節點,方法名稱為:doReleaseShared。

    我們一起來看下releaseShared 的原始碼:

    // 共享模式下,释放当前线程的共享锁
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            // 这个方法就是线程在获得锁时,唤醒后续节点时调用的方法
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
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    2、條件佇列的重要方法

    在看條件佇列的方法之前,我們先得弄清楚為什麼有了同步隊列,還需要條件隊列?

    主要是因為不是所有場景一個同步隊列就可以搞定的,在遇到鎖隊列結合的場景時,就需要Lock Condition 才行,先用Lock 來決定哪些執行緒可以獲得鎖,哪些執行緒需要到同步佇列裡面排隊阻塞;取得鎖的多個執行緒在碰到佇列滿或空的時候,可以使用Condition 來管理這些執行緒,讓這些執行緒阻塞等待,然後在合適的時機後,被正常喚醒。

    同步佇列 條件佇列聯手使用的場景,最多被使用到鎖定 佇列的場景。

    所以說條件佇列也是不可或缺的一環。

    接下來我們來看看條件佇列一些比較重要的方法,以下方法都在 ConditionObject 內部類別中。

    2.1、入佇列等待await

    // 线程入条件队列
    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 加入到条件队列的队尾
        Node node = addConditionWaiter();
        // 标记位置 A
        // 加入条件队列后,会释放 lock 时申请的资源,唤醒同步队列队列头的节点
        // 自己马上就要阻塞了,必须马上释放之前 lock 的资源,不然自己不被唤醒的话,别的线程永远得不到该共享资源了
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        // 确认node不在同步队列上,再阻塞,如果 node 在同步队列上,是不能够上锁的
        // 目前想到的只有两种可能:
        // 1:node 刚被加入到条件队列中,立马就被其他线程 signal 转移到同步队列中去了
        // 2:线程之前在条件队列中沉睡,被唤醒后加入到同步队列中去
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // this = AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject
            // 阻塞在条件队列上
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 标记位置 B
        // 其他线程通过 signal 已经把 node 从条件队列中转移到同步队列中的数据结构中去了
        // 所以这里节点苏醒了,直接尝试 acquireQueued
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
            // 如果状态不是CONDITION,就会自动删除
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
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    await 方法有幾點需要特別注意:

    上述程式碼標記位置A 處,節點在準備進入條件佇列之前,一定會先釋放目前持有的鎖,不然自己進去條件佇列了,其餘的執行緒都無法取得鎖定了;上述程式碼標記位置B 處,此時節點是被Condition.signal 或signalAll 方法喚醒的,此時節點已經成功的被轉移到同步佇列中去了(整體架構圖中藍色流程),所以可以直接執行acquireQueued 方法;Node 在條件佇列中的命名,原始碼喜歡用Waiter 來命名,所以我們在條件佇列中看到Waiter,其實就是Node。

    await 方法中有兩個重要方法:addConditionWaiter 和 unlinkCancelledWaiters,我們一一看下去。

    2.1.1、addConditionWaiter

    addConditionWaiter 方法主要是把節點放到條件佇列中,方法原始碼如下:

    // 增加新的 waiter 到队列中,返回新添加的 waiter
    // 如果尾节点状态不是 CONDITION 状态,删除条件队列中所有状态不是 CONDITION 的节点
    // 如果队列为空,新增节点作为队列头节点,否则追加到尾节点上
    private Node addConditionWaiter() {
        Node t = lastWaiter;
        // If lastWaiter is cancelled, clean out.
        // 如果尾部的 waiter 不是 CONDITION 状态了,删除
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            unlinkCancelledWaiters();
            t = lastWaiter;
        }
        // 新建条件队列 node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        // 队列是空的,直接放到队列头
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        // 队列不为空,直接到队列尾部
        else
            t.nextWaiter = node;
        lastWaiter = node;
        return node;
    }
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    整體過程比較簡單,就是追加到佇列的尾部,其中有個重要方法叫做unlinkCancelledWaiters,這個方法會刪除掉條件佇列中狀態不是CONDITION 的所有節點,我們來看下unlinkCancelledWaiters 方法的源碼,如下:

    2.1.2、unlinkCancelledWaiters
    // 会检查尾部的 waiter 是不是已经不是CONDITION状态了
    // 如果不是,删除这些 waiter
    private void unlinkCancelledWaiters() {
        Node t = firstWaiter;
        // trail 表示上一个状态,这个字段作用非常大,可以把状态都是 CONDITION 的 node 串联起来,即使 node 之间有其他节点都可以
        Node trail = null;
        while (t != null) {
            Node next = t.nextWaiter;
            // 当前node的状态不是CONDITION,删除自己
            if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                //删除当前node
                t.nextWaiter = null;
                // 如果 trail 是空的,咱们循环又是从头开始的,说明从头到当前节点的状态都不是 CONDITION
                // 都已经被删除了,所以移动队列头节点到当前节点的下一个节点
                if (trail == null)
                    firstWaiter = next;
                // 如果找到上次状态是CONDITION的节点的话,先把当前节点删掉,然后把自己挂到上一个状态是 CONDITION 的节点上
                else
                    trail.nextWaiter = next;
                // 遍历结束,最后一次找到的CONDITION节点就是尾节点
                if (next == null)
                    lastWaiter = trail;
            }
            // 状态是 CONDITION 的 Node
            else
                trail = t;
            // 继续循环,循环顺序从头到尾
            t = next;
        }
    }
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    為了方便大家理解這個方法,畫了一個釋義圖,如下:

    java同步器AQS架構如何釋放鎖定和同步佇列

    2.2、單一喚醒signal 

    signal 方法是喚醒的意思,例如之前隊列滿了,有了一些線程因為take 操作而被阻塞進條件隊列中,突然隊列中的元素被線程A 消費了,線程A 就會調用signal 方法,喚醒之前阻塞的線程,會從條件佇列的頭節點開始喚醒(流程見整體架構圖中藍色部分),原始碼如下:

    // 唤醒阻塞在条件队列中的节点
    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 从头节点开始唤醒
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            // doSignal 方法会把条件队列中的节点转移到同步队列中去
            doSignal(first);
    }
    // 把条件队列头节点转移到同步队列去
    private void doSignal(Node first) {
        do {
            // nextWaiter为空,说明到队尾了
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                lastWaiter = null;
            // 从队列头部开始唤醒,所以直接把头节点.next 置为 null,这种操作其实就是把 node 从条件队列中移除了
            // 这里有个重要的点是,每次唤醒都是从队列头部开始唤醒,所以把 next 置为 null 没有关系,如果唤醒是从任意节点开始唤醒的话,就会有问题,容易造成链表的割裂
            first.nextWaiter = null;
            // transferForSignal 方法会把节点转移到同步队列中去
            // 通过 while 保证 transferForSignal 能成功
            // 等待队列的 node 不用管他,在 await 的时候,会自动清除状态不是 Condition 的节点(通过 unlinkCancelledWaiters 方法)
            // (first = firstWaiter) != null  = true 的话,表示还可以继续循环, = false 说明队列中的元素已经循环完了
        } while (!transferForSignal(first) &&
                 (first = firstWaiter) != null);
    }
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    我們來看下最關鍵的方法:transferForSignal。

    // 返回 true 表示转移成功, false 失败
    // 大概思路:
    // 1. node 追加到同步队列的队尾
    // 2. 将 node 的前一个节点状态置为 SIGNAL,成功直接返回,失败直接唤醒
    // 可以看出来 node 的状态此时是 0 了
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        // 将 node 的状态从 CONDITION 修改成初始化,失败返回 false
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        // 当前队列加入到同步队列,返回的 p 是 node 在同步队列中的前一个节点
        // 看命名是 p,实际是 pre 单词的缩写
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        // 状态修改成 SIGNAL,如果成功直接返回
        // 把当前节点的前一个节点修改成 SIGNAL 的原因,是因为 SIGNAL 本身就表示当前节点后面的节点都是需要被唤醒的
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            // 如果 p 节点被取消,或者状态不能修改成SIGNAL,直接唤醒
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }
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    整個原始碼下來,我們可以看到,喚醒條件佇列中的節點,實際上就是把條件佇列中的節點轉移到同步佇列中,並把其前置節點狀態置為 SIGNAL。

    2.3、全部喚醒signalAll

    signalAll 的作用是喚醒條件佇列中的全部節點,原始碼如下:

        public final void signalAll() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            // 拿到头节点
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                // 从头节点开始唤醒条件队列中所有的节点
                doSignalAll(first);
        }
        // 把条件队列所有节点依次转移到同步队列去
        private void doSignalAll(Node first) {
            lastWaiter = firstWaiter = null;
            do {
                // 拿出条件队列队列头节点的下一个节点
                Node next = first.nextWaiter;
                // 把头节点从条件队列中删除
                first.nextWaiter = null;
                // 头节点转移到同步队列中去
                transferForSignal(first);
                // 开始循环头节点的下一个节点
                first = next;
            } while (first != null);
        }
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    從原始碼中可以看出,其本質就是for迴圈呼叫transferForSignal 方法,將條件佇列中的節點循環轉移到同步佇列中去。

    3、總結

    AQS 原始碼終於說完了,你都懂了麼,可以默默回憶一下 AQS 架構圖,看看這張圖現在能不能看懂了。

    java同步器AQS架構如何釋放鎖定和同步佇列

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