JUC多线程：AQS抽象队列同步器原理

2024-03-22 20:34:40

一、AQS 的工作原理：

1.1、什么是 AQS：

AQS，Abstract Queued Synchronizer，抽象队列同步器，是 J.U.C 中实现锁及同步组件的基础。工作原理就是如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态，如果被请求的共享资源被占用，那么就将获取不到锁的线程加入到等待队列中。这时，就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时的锁分配机制，而 AQS 是通过 CLH 队列实现锁分配的机制。

1.2、CLH 同步队列的模型：

CLH 队列是由内部类 Node 构成的同步队列，是一个双向队列（不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系），将请求共享资源的线程封装成 Node 节点来实现锁的分配；同时利用内部类 ConditionObject 构建等待队列，当调用 ConditionObject 的 await() 方法后，线程将会加入等待队列中，当调用 ConditionObject 的 signal() 方法后，线程将从等待队列转移动同步队列中进行锁竞争。AQS 中只能存在一个同步队列，但可拥有多个等待队列。AQS 的 CLH 同步队列的模型如下图：

AQS 有三个主要变量，分别是 head、tail、state，其中 head 指向同步队列的头部，注意 head 为空结点，不存储信息。而 tail 则是同步队列的队尾，同步队列采用的是双向链表的结构是为了方便对队列进行查找操作。当 Node 节点被设置为 head 后，其 thread 信息和前驱结点将被清空，因为该线程已获取到同步状态，正在执行了，也就没有必要存储相关信息了，head 只保存后继结点的指针即可，便于 head 结点释放同步状态后唤醒后继结点。

队列的入队和出队操作都是无锁操作，基于 CAS+自旋锁实现，AQS 维护了一个 volatile 修饰的 int 类型的 state 同步状态，volatile 保证线程之间的可见性，并通过 CAS 对该同步状态进行原子操作、实现对其值的修改。当 state=0 时，表示没有任何线程占有共享资源的锁，当 state=1 时，则说明当前有线程正在使用共享变量，其他线程必须加入同步队列进行等待；

二、内部类 Node 数据结构分析：

static final class Node {
    //共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    //独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    //标识线程已处于结束状态
    static final int CANCELLED =  1;
    //等待被唤醒状态
    static final int SIGNAL    = -1;
    //条件状态
    static final int CONDITION = -2;
    //在共享模式中使用表示获得的同步状态会被传播
    static final int PROPAGATE = -3;

    //等待状态,存在CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE 4种取值
    volatile int waitStatus;

    //同步队列中前驱结点
    volatile Node prev;
    //同步队列中后继结点
    volatile Node next;
    //请求锁的线程
    volatile Thread thread;
    //等待队列中的后继结点，这个与Condition有关，稍后会分析
    Node nextWaiter;

    //判断是否为共享模式
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    //.....
}

AQS分为两种模式：独占模式 EXCLUSIVE 和共享模式 SHARED，像 ReentrantLock、CyclicBarrier 是基于独占模式模式实现的，Semaphore，CountDownLatch 等是基于共享模式。

变量 waitStatus 表示当前封装成 Node 节点的线程的等待状态，共有4种取值 CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE：

CANCELLED：值为1，表示在同步队列中的线程等待超时或者被中断，处于已结束状态，需要从同步队列中移除该 Node 节点
SIGNAL：值为-1，表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为 SIGNAL，当该节点释放了同步锁之后，就会唤醒该节点的后继节点
CONDITION：值为-2，与 Condition 相关，表示该结点在 condition 等待队列中阻塞，当其他线程调用了Condition 的 signal() 方法后，CONDITION 状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
PROPAGATE：值为-3时，在共享模式下使用，表示该线程以及后继线程进行无条件传播。前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。

三、AQS 的设计模式：

3.1、AQS 的模板方法模式：

AQS 的基于模板方法模式设计的，在 AQS 抽象类中已经实现了线程在等待队列的维护方式（如获取资源失败入队/唤醒出队等），而对于具体共享资源 state 的获取与释放（也就是锁的获取和释放）则交由具体的同步器来实现，具体的同步器需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)：独占模式，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

3.2、JUC 中提供的同步器：

闭锁 CountDownLatch：用于让主线程等待一组事件全部发生后继续执行。
栅栏 CyclicBarrier：用于等待其它线程，且会阻塞自己当前线程，所有线程必须全部到达栅栏位置后，才能继续执行；且在所有线程到达栅栏处之后，可以触发执行另外一个预先设置的线程。
信号量 Semaphore：用于控制访问资源的线程个数，常常用于实现资源池，如数据库连接池，线程池。在 Semaphore 中，acquire 方法用于获取资源，有的话，继续执行，没有资源的话将阻塞直到有其它线程调用 release 方法释放资源；
交换器 Exchanger：用于线程之间进行数据交换；当两个线程都到达共同的同步点（都执行到exchanger.exchange 的时刻）时，发生数据交换，否则会等待直到其它线程到达；

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的区别？

两者都可以用来表示代码运行到某个点上，二者的区别在于：

① CyclicBarrier 的某个线程运行到某个位置之后就停止运行，直到所有的线程都到达了这个点，所有线程才重新运行；CountDownLatch 的某线程运行到某个位置之后，只是给计数值-1而已，该线程继续运行；

② CyclicBarrier 可重用，CountDownLatch 不可重用，计数值为 0 时该 CountDownLatch 就不可再用了。

推荐阅读：https://juejin.cn/post/6989419875366076447

3.3、ReentranLock 中独占模式下非公平锁的获取流程：

获取独占锁的过程是定义在 tryAcquire() 中的，当前线程尝试获取同步状态，如果获取失败，就将线程封装成 Node 节点插入到 CLH 同步队列中。插入同步队列后，线程并没有放弃获取同步状态，而是根据前置节点状态状态判断是否继续获取，如果前置节点是 head 结点，继续尝试获取，否则就将线程挂起。如果成功获取同步状态则将自己设置为 head 结点。当持有同步状态的线程释放资源后，也会唤醒队列中的后继线程。

四、ConditionObject 阻塞队列：

4.1、什么是 Condition 接口：

AQS 的阻塞队列是基于内部类 ConditionObject 实现的，而 ConditionObject 实现了 Condition 接口。那 Condition 接口是什么呢？Condition 主要用于线程的等待和唤醒，在JDK5之前，线程的等待唤醒是用 Object 类的 wait/notify/notifyAll 方法实现的，这些方法必须配合 synchronized 关键字使用，使用起来不是很方便，为了解决这个问题，在 JDK5 之后，J.U.C 提供了Condition。

Condition.await 对应于 Object.wait;

Condition.signal 对应于 Object.notify；

Condition.signalAll 对应于 Object.notifyAll；

与 synchronized 的等待唤醒机制相比，Condition 能够精细的控制多线程的休眠与唤醒，具备更多的灵活性，通过多个 Condition 实例对象建立不同的等待队列，从而实现同一个锁拥有多个等待队列。而 synchronized 关键字只能有一组等待唤醒队列，使用 notify() 唤醒线程时只能随机唤醒队列中的一个线程。

4.2、ConditionObject 阻塞队列实现原理：

Condition 的具体实现之一是 AQS 的内部类 ConditionObject，每个 Condition 都对应着一个等待队列，也就是说如果一个锁上创建了多个 Condition 对象，那么也就存在多个等待队列。当调用 ConditionObject 的 await() 方法后，线程将会加入等待队列中，当调用 ConditionObject 的 signal() 方法后，线程将从等待队列转移动同步队列中进行锁竞争。AQS 的 ConditionObject 中的等待队列模型如下：

4.3、AQS 的线程唤醒机制原理：

AQS 的线程唤醒是通过 singal() 方法实现的，我们先看下 singal() 方法线程唤醒的流程图：

流程图说明：

signal() 方法主要调用了 doSignal()，而 doSignal() 方法中做了两件事：

（1）从条件等待队列移除被唤醒的节点，然后重新维护条件等待队列的 firstWaiter 和 lastWaiter 的指向。

（2）将从等待队列移除的结点加入同步队列（在 transferForSignal() 方法中完成的），如果进入到同步队列失败并且条件等待队列还有不为空的节点，则继续循环唤醒后续其他结点的线程

注意：无论是同步队列还是等待队列，使用的 Node 数据结构都是同一个，不过是使用的内部变量不同罢了

所以 signal() 的流程可以概述为：

signal() 被调用后，先判断当前线程是否持有独占锁
如果有，那么唤醒当前 Condition 等待队列的第一个结点的线程，并从等待队列中移除该结点，添加到同步队列中
如果加入同步队列失败，那么继续循环唤醒等待队列中的其他结点的线程
如果成功加入同步队列，那么如果其前驱结点已结束或者设置前驱节点状态为 Node.SIGNAL 状态失败，则通过 LockSupport.unpark() 唤醒被通知节点代表的线程

到此 signal() 任务完成，被唤醒后的线程，将调用 AQS 的 acquireQueued() 方法加入获取同步状态的竞争中，这就是等待唤醒机制的整个流程实现原理。

文章总结自：https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/75043422

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