AQS 原理

概述

全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架。
特点：

• 用 state 属性来表示资源的状态（分独占模式和共享模式），子类需要定义如何维护这个状态，控制如何获取锁和释放锁。
  • getState：获取 state 状态
  • setState：设置 state 状态
  • compareAndSetState：cas 机制设置 state 状态
  • 独占模式是只有一个线程能够访问资源，而共享模式可以允许多个线程访问资源
• 提供了基于 FIFO 的等待队列，类似于 Monitor 的 EntryList
• 条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于 Monitor 的 WaitSet

子类主要实现这样一些方法（默认抛出 UnsupportedOperationException）

• tryAcquire
• tryRelease
• tryAcquireShared
• tryReleaseShared
• isHeldExclusively

获取锁的姿势

// 如果获取锁失败
if (!tryAcquire(arg))) {
    // 入队，可以选择阻塞当前线程 park unpark
}

释放锁的姿势

// 如果释放锁成功
if (tryRelease(arg)) {
    // 让阻塞线程恢复运行
}

实现不可重入锁

自定义同步器

/**
 * 自定义锁（不可重入锁）
 */
class MyLock implements Lock {

    // 锁实现的大部分功能由该同步器类来实现
    // 独占锁
    class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            // state = 0 表示未加锁，state = 1 表示加锁
            if(compareAndSetState(0, 1)) {
                // 加锁成功，并设置 Owner 为当前线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0); // state 是 volatile 变量，可以保证指令不会重排序，应当放在最后，保证其他语句对其他线程可见
            return true;
        }

        // 是否持有独占锁
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        public Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }

    private MySync sync = new MySync();

    // 加锁，不成功会进入等待队列
    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    // 加锁，可打断
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    // 尝试加锁（一次）
    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    // 尝试加锁，带超时
    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    // 解锁
    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    // 创建条件变量
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
}

测试

@Slf4j(topic = "c.TestMyLock")
public class TestMyLock {
    public static void main(String[] args) {
        MyLock lock = new MyLock();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                log.debug("locking...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                log.debug("unlocking...");
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                log.debug("locking...");
            } finally {
                log.debug("unlocking...");
                lock.unlock();
            }
        }, "t2").start();
    }
}

结果

18:13:47.514 [t1] - locking...
18:13:48.520 [t1] - unlocking...
18:13:48.520 [t2] - locking...
18:13:48.520 [t2] - unlocking...

不可重入测试
如果改为下面代码，会发现自己也会被挡住（只会打印一次 locking）

@Slf4j(topic = "c.TestMyLock")
public class TestMyLock {
    public static void main(String[] args) {
        MyLock lock = new MyLock();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            log.debug("locking...");
            lock.lock();
            log.debug("locking...");
            try {
                log.debug("locking...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                log.debug("unlocking...");
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();
    }
}

结果

心得

起源

早期程序员会自己通过一种同步器去实现另一种相近的同步器，例如用可重入锁去实现信号量，或反之，这显然不够优雅，于是在 JSR166（Java 规范提案）中创建了 AQS，提供了这种通用的同步器机制。

目标

AQS 要实现的功能目标

• 阻塞版本获得 acquire 和非阻塞的版本尝试获取锁 tryAcquire
• 获取锁超时机制
• 通过打断取消机制
• 独占机制及共享机制
• 条件不满足时的等待机制

要实现的性能目标
Instead, the primary performance goal here is scalability: to predictably maintain efficiency even, or
especially, when synchronizers are contended.

设计

AQS 的基本思想其实很简单
获取锁的逻辑

while(state 状态不允许获取) {
    if(队列中还没有此线程) {
        入队并阻塞
    }
}
当前线程出队

释放锁的逻辑

if(state 状态允许了) {
    恢复阻塞的线程(s)
}

要点

• 原子维护 state 状态
• 阻塞及恢复线程
• 维护队列

state 设计

• state 使用 volatile 配合 cas 保证其修改时的原子性
• state 使用了 32bit int 来维护同步状态，因为当时使用 long 在很多平台下测试的结果并不理想

阻塞恢复设计

• 早期的控制线程暂停和恢复的 API 有 suspend 和 resume，但它们时不可用的，因为如果先调用的 resume，那么 suspend 将感知不到
• 解决方法是使用 park & unpark 来实现线程的暂停和恢复，具体原理在之前讲过了，先 unpark 再 park 也没问题
• park & unpark 是针对线程的，而不是针对同步器的，因此控制的粒度更为精细
• park 线程还可以通过 interrupt 打断

队列设计

• 使用了 FIFO 先入先出队列，并不支持优先级队列
• 设计时借鉴了 CLH 队列，它是一种单向无锁队列

队列中有 head 和 tail 两个指针节点，都用 volatile 修饰配合 cas 使用，每个节点有 state 维护节点状态。
入队伪代码，只需要考虑 tail 赋值的原子性

do {
    // 原来的 tail
    Node prev = tail;
    // 用 cas 在原来的 tail 的基础上改为 node
} while(tail.compareAndSet(prev, node))

出队伪代码

// prev 是上一个节点
while((Node prev = node.prev).state != 唤醒状态) {
}
// 设置头结点
head = node;

CLH 好处：

• 无锁，使用自旋
• 快速，无阻塞

AQS 在一些方面改进了 CLH

private Node enq(final Node node) {
     for (;;) {
         Node t = tail;
         // 队列中还没有元素 tail 为 null
         if (t == null) {
             // 将 head 从 null -> dummy
             if (compareAndSetHead(new Node()))
                 tail = head;
         } else {
             // 将 node 的 prev 设置为原来的 tail
             node.prev = t;
             // 将 tail 从原来的 tail 设置为 node
             if (compareAndSetTail(t, node)) {
                 // 原来 tail 的 next 设置为 node
                 t.next = node;
                 return t;
             }
         }
     }
}

主要用到 AQS 的工具类