92. 你说你精通Java并发,那给我讲讲JUC吧(二)
自定义资源共享方式
AQS定义两种资源共享方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch(CountDownLatch是并发的))。 不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法:
isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int):独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源,如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。
以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。 再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。 一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock。
源码解析
1. acquire(int)
acquire是一种以独占方式获取资源,如果获取到资源,线程直接返回,否则进入等待队列,直到获取到资源为止,且整个过程忽略中断的影响。该方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。获取到资源后,线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire()的源码:
public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }
函数流程如下:
tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;
addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源,一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。
接下来介绍相关方法。
1.1 tryAcquire(int)
tryAcquire尝试以独占的方式获取资源,如果获取成功,则直接返回true,否则直接返回false。该方法可以用于实现Lock中的tryLock()方法。该方法的默认实现是抛出UnsupportedOperationException,具体实现由自定义的扩展了AQS的同步类来实现。AQS在这里只负责定义了一个公共的方法框架。这里之所以没有定义成abstract,是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease,而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract,那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。
protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
1.2 addWaiter(Node)
该方法用于将当前线程根据不同的模式(Node.EXCLUSIVE互斥模式、Node.SHARED共享模式)加入到等待队列的队尾,并返回当前线程所在的结点。如果队列不为空,则以通过compareAndSetTail方法以CAS(CAS (compare and swap) 比较并交换,就是将内存值与预期值进行比较,如果相等才将新值替换到内存中,并返回true表示操作成功;如果不相等,则直接返回false表示操作失败。)的方式将当前线程节点加入到等待队列的末尾。否则,通过enq(node)方法初始化一个等待队列,并返回当前节点。源码如下:
private Node addWaiter(Node mode) { // 以给定模式构造结点。mode有两种:EXCLUSIVE(独占)和SHARED(共享) Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 尝试快速方式直接放到队尾。 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } // 上一步失败则通过enq入队。 enq(node); return node; }
1.2.1 enq(node)
enq(node)用于将当前节点插入等待队列,如果队列为空,则初始化当前队列。整个过程以CAS自旋的方式进行,直到成功加入队尾为止。源码如下:
private Node enq(final Node node) { // CAS"自旋",直到成功加入队尾 for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // 队列为空,创建一个空的标志结点作为head结点,并将tail也指向它。 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { // 正常流程,放入队尾 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
1.3 acquireQueued(Node, int)
通过tryAcquire()和addWaiter(),该线程获取资源失败,已经被放入等待队列尾部了,接下来就是等待队列前面的线程依次出队列,最后轮到自己被唤醒。acquireQueued(Node, int)函数的作用就是这个。 acquireQueued()用于队列中的线程自旋地以独占且不可中断的方式获取同步状态(acquire),直到拿到锁之后再返回。该方法的实现分成两部分:如果当前节点已经成为头结点,尝试获取锁(tryAcquire)成功,然后返回;否则检查当前节点是否应该被park(即进入waiting状态),然后将该线程park并且检查当前线程是否被可以被中断。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; // 标记是否成功拿到资源 try { boolean interrupted = false; // 标记等待过程中是否被中断过 // 又是一个“自旋”! for (;;) { final Node p = node.predecessor();// 拿到前驱 // 如果前驱是head,即该结点已成老二,那么便有资格去尝试获取资源(可能是老大释放完资源唤醒自己的,当然也可能被interrupt了)。 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); // 拿到资源后,将head指向该结点。所以head所指的标杆结点,就是当前获取到资源的那个结点或null。 p.next = null; // setHead中node.prev已置为null,此处再将head.next置为null,就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了! failed = false; return interrupted; // 返回等待过程中是否被中断过 } // 如果自己可以休息了,就进入waiting状态,直到被unpark() if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; // 如果等待过程中被中断过,哪怕只有那么一次,就将interrupted标记为true } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
1.3.1 shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)
shouldParkAfterFailedAcquire方法通过对当前节点的前一个节点的状态进行判断,对当前节点做出不同的操作(进入waiting状态或者继续往前找)。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; // 拿到前驱的状态 if (ws == Node.SIGNAL) // 如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下,那就可以安心休息了 return true; if (ws > 0) { /* * 如果前驱放弃了,那就一直往前找,直到找到最近一个正常等待的状态,并排在它的后边。 * 注意:那些放弃的结点,由于被自己“加塞”到它们前边,它们相当于形成一个无引用链,稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)! */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // 如果前驱正常,那就把前驱的状态设置成SIGNAL,告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败,人家说不定刚刚释放完呢! compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; }
1.3.2 parkAndCheckInterrupt()
该方法让线程去休息,真正进入等待状态。park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下,有两种途径可以唤醒该线程:1)被unpark();2)被interrupt()。需要注意的是,Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); // 调用park()使线程进入waiting状态 return Thread.interrupted(); // 如果被唤醒,查看自己是不是被中断的。 }
1.3.3 acquireQueued()小结
acquireQueued()函数的具体流程:
结点进入队尾后,检查状态,找到安全休息点;
调用park()进入waiting状态,等待unpark()或interrupt()唤醒自己;
被唤醒后,看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到,head指向当前结点,并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过;如果没拿到,继续流程1。
1.4 acquire()小结
acquire()的流程:
调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源,如果成功则直接返回;
没成功,则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部,并标记为独占模式;
acquireQueued()使线程在等待队列中休息,有机会时(轮到自己,会被unpark())会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
如果线程在等待过程中被中断过,它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。