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AQS 的内部原理?

admin

11月 28, 2021

AQS 内部原理解析

我们对 AQS 进行内部原理解析的话需要抓住重点,因为 AQS 的内部比较复杂,代码很长而且非常不容易读懂,如果我们一上来就一头扎进去读源码,是很难完全掌握它的。

所以在本课时中,我们把 AQS 最核心的三个部分作为重点提炼出来,由这三个部分作为切入点,打开 AQS 的大门。

是AQS 最核心的三大部分就是:

  • 状态。
  • 队列。
  • 期望协作工具类去实现的获取/释放等重要方法。

我们就从这三个部分出发,分别展开讲解。

state 状态

第一个要讲解的是状态 state,如果我们的 AQS 想要去管理或者想作为协作工具类的一个基础框架,那么它必然要管理一些状态,而这个状态在 AQS 内部就是用 state 变量去表示的。它的定义如下:

/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;

而 state 的含义并不是一成不变的,它会根据具体实现类的作用不同而表示不同的含义,下面举几个例子。

比如说在信号量里面,state 表示的是剩余许可证的数量。如果我们最开始把 state 设置为 10,这就代表许可证初始一共有 10 个,然后当某一个线程取走一个许可证之后,这个 state 就会变为 9,所以信号量的 state 相当于是一个内部计数器。

再比如,在 CountDownLatch 工具类里面,state 表示的是需要“倒数”的数量。一开始我们假设把它设置为 5,当每次调用 CountDown 方法时,state 就会减 1,一直减到 0 的时候就代表这个门闩被放开。

下面我们再来看一下 state 在 ReentrantLock 中是什么含义,在 ReentrantLock 中它表示的是锁的占有情况。最开始是 0,表示没有任何线程占有锁;如果 state 变成 1,则就代表这个锁已经被某一个线程所持有了。

那为什么还会变成 2、3、4 呢?为什么会往上加呢?因为 ReentrantLock 是可重入的,同一个线程可以再次拥有这把锁就叫重入。如果这个锁被同一个线程多次获取,那么 state 就会逐渐的往上加,state 的值表示重入的次数。在释放的时候也是逐步递减,比如一开始是 4,释放一次就变成了 3,再释放一次变成了 2,这样进行的减操作,即便是减到 2 或者 1 了,都不代表这个锁是没有任何线程持有,只有当它减到 0 的时候,此时恢复到最开始的状态了,则代表现在没有任何线程持有这个锁了。所以,state 等于 0 表示锁不被任何线程所占有,代表这个锁当前是处于释放状态的,其他线程此时就可以来尝试获取了。

这就是 state 在不同类中不同含义的一个具体表现。我们举了三个例子,如果未来有新的工具要利用到 AQS,它一定也需要利用 state,为这个类表示它所需要的业务逻辑和状态。

下面我们再来看一下关于 state 修改的问题,因为 state 是会被多个线程共享的,会被并发地修改,所以所有去修改 state 的方法都必须要保证 state 是线程安全的。可是 state 本身它仅仅是被 volatile 修饰的,volatile 本身并不足以保证线程安全,所以我们就来看一下,AQS 在修改 state 的时候具体利用了什么样的设计来保证并发安全。

我们举两个和 state 相关的方法,分别是 compareAndSetState 及 setState,它们的实现已经由 AQS 去完成了,也就是说,我们直接调用这两个方法就可以对 state 进行线程安全的修改。

下面就来看一下这两个方法的源码是怎么实现的。

  • 先来看一下 compareAndSetState 方法,这是一个我们非常熟悉的 CAS 操作,这个方法的代码,如下所示:
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

方法里面只有一行代码,即 return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update),这个方法我们已经非常熟悉了,它利用了 Unsafe 里面的 CAS 操作,利用 CPU 指令的原子性保证了这个操作的原子性,与之前介绍过的原子类去保证线程安全的原理是一致的。

  • 接下来看一下 setState 方法的源码,如下所示:
protected final void setState(int newState) {
  state = newState;
}

我们可以看到,它去修改 state 值的时候非常直截了当,直接把 state = newState,这样就直接赋值了。

 

这里并没有进行任何的并发安全处理,没有加锁也没有 CAS,那如何能保证线程安全呢?

volatile 其中一种使用场景就是,当对基本类型的变量进行直接赋值时如果加了 volatile 就可以保证它的线程安全。

注意,这是 volatile 的非常典型的使用场景。

/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;

可以看出,state 是 int 类型的,属于基本类型,并且这里的 setState 方法内是对 state 直接赋值的,它不涉及读取之前的值,也不涉及在原来值的基础上再修改,所以我们仅仅利用 volatile 就可以保证在这种情况下的并发安全,这就是 setState 方法线程安全的原因。

下面我们对 state 进行总结,在 AQS 中有 state 这样的一个属性,是被 volatile 修饰的,会被并发修改,它代表当前工具类的某种状态,在不同的类中代表不同的含义。

FIFO 队列

FIFO 队列,即先进先出队列,这个队列最主要的作用是:存储等待的线程。

假设很多线程都想要同时抢锁,那么大部分的线程是抢不到的,那怎么去处理这些抢不到锁的线程呢?就得需要有一个队列来存放、管理它们。

所以 AQS 的一大功能就是充当线程的“排队管理器”。

当多个线程去竞争同一把锁的时候,就需要用排队机制把那些没能拿到锁的线程串在一起;而当前面的线程释放锁之后,这个管理器就会挑选一个合适的线程来尝试抢刚刚释放的那把锁。

所以 AQS 就一直在维护这个队列,并把等待的线程都放到队列里面。

这个队列内部是双向链表的形式,其数据结构看似简单,但是要想维护成一个线程安全的双向队列却非常复杂,因为要考虑很多的多线程并发问题。

我们来看一下 AQS 作者 Doug Lea 给出的关于这个队列的一个图示:

插图1.png 

在队列中,分别用 head 和 tail 来表示头节点和尾节点,两者在初始化的时候都指向了一个空节点。

头节点可以理解为“当前持有锁的线程”,而在头节点之后的线程就被阻塞了,它们会等待被唤醒,唤醒也是由 AQS 负责操作的。

获取/释放方法

下面我们就来看一看 AQS 的第三个核心部分,获取/释放方法。

在 AQS 中除了刚才讲过的 state 和队列之外,还有一部分非常重要,那就是获取和释放相关的重要方法,这些方法是协作工具类的逻辑的具体体现,需要每一个协作工具类自己去实现,所以在不同的工具类中,它们的实现和含义各不相同。

获取方法

我们首先来看一下获取方法。获取操作通常会依赖 state 变量的值,根据 state 值不同,协作工具类也会有不同的逻辑,并且在获取的时候也经常会阻塞,下面就让我们来看几个具体的例子。

比如 ReentrantLock 中的 lock 方法就是其中一个“获取方法”,执行时,如果发现 state 不等于 0 且当前线程不是持有锁的线程,那么就代表这个锁已经被其他线程所持有了。

这个时候,当然就获取不到锁,于是就让该线程进入阻塞状态。

再比如,Semaphore 中的 acquire 方法就是其中一个“获取方法”,作用是获取许可证,此时能不能获取到这个许可证也取决于 state 的值。如果 state 值是正数,那么代表还有剩余的许可证,数量足够的话,就可以成功获取;但如果 state 是 0,则代表已经没有更多的空余许可证了,此时这个线程就获取不到许可证,会进入阻塞状态,所以这里同样也是和 state 的值相关的。

再举个例子,CountDownLatch 获取方法就是 await 方法(包含重载方法),作用是“等待,直到倒数结束”。

执行 await 的时候会判断 state 的值,如果 state 不等于 0,线程就陷入阻塞状态,直到其他线程执行倒数方法把 state 减为 0,此时就代表现在这个门闩放开了,所以之前阻塞的线程就会被唤醒。

我们总结一下,“获取方法”在不同的类中代表不同的含义,但往往和 state 值相关,也经常会让线程进入阻塞状态,这也同样证明了 state 状态在 AQS 类中的重要地位。

释放方法

释放方法是站在获取方法的对立面的,通常和刚才的获取方法配合使用。

我们刚才讲的获取方法可能会让线程阻塞,比如说获取不到锁就会让线程进入阻塞状态,但是释放方法通常是不会阻塞线程的。

比如在 Semaphore 信号量里面,释放就是 release 方法(包含重载方法),release() 方法的作用是去释放一个许可证,会让 state 加 1;

而在 CountDownLatch 里面,释放就是 countDown 方法,作用是倒数一个数,让 state 减 1。

所以也可以看出,在不同的实现类里面,他们对于 state 的操作是截然不同的,需要由每一个协作类根据自己的逻辑去具体实现。

拓展阅读

下面我们再进行一些拓展阅读,本课时是把 AQS 的核心结构拎出来讲解的,对于了解 AQS 内部结构有很大好处,但是并不足以包含 AQS 的全貌。如果有兴趣进一步深入理解 AQS ,可以选择学习相关的拓展资源:

  • 第一个资源是 AQS 作者本人 Doug Lea 所写的一篇论文,这篇论文自然是非常宝贵的学习资料,请点击这里查看
  • 第二个是来自 Javadoop 博客对于 AQS 的源码分析的文章,感兴趣的话也可以阅读,请点击这里查看

 

总结

本课时我们介绍了 AQS 最重要的三个部分。

第一个是 state,它是一个数值,在不同的类中表示不同的含义,往往代表一种状态;

第二个是一个队列,该队列用来存放线程;

第三个是“获取/释放”的相关方法,需要利用 AQS 的工具类根据自己的逻辑去实现。

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