diff --git a/JAVA.md b/JAVA.md index 4f54145..94a771f 100644 --- a/JAVA.md +++ b/JAVA.md @@ -108,6 +108,431 @@ ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是基于 AbstractQueuedSynchronizer ( ## AQS框架 +![AQS-简化流程图](images/JAVA/AQS-简化流程图.png) + +### 基础 + +AbstractQueuedSynchronizer抽象同步队列简称AQS,它是实现同步器的基础组件,如常用的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。 + +AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步模板,解决了实现同步器时涉及的大量细节问题,能够极大地减少实现工作,虽然大多数开发者可能永远不会使用AQS实现自己的同步器(JUC包下提供的同步器基本足够应对日常开发),但是知道AQS的原理对于架构设计还是很有帮助的,面试还可以吹吹牛,下面是AQS的组成结构。 + +![AQS的组成结构](images/JAVA/AQS的组成结构.png) + +三部分组成:`state同步状态`、`Node组成的CLH队列`、`ConditionObject条件变量`(包含Node组成的条件单向队列)。 + + + +**状态** + +- `getState()`:返回同步状态 +- `setState(int newState)`:设置同步状态 +- `compareAndSetState(int expect, int update)`:使用CAS设置同步状态 +- `isHeldExclusively()`:当前线程是否持有资源 + + + +**独占资源(不响应线程中断)** + +- `tryAcquire(int arg)`:独占式获取资源,子类实现 +- `acquire(int arg)`:独占式获取资源模板 +- `tryRelease(int arg)`:独占式释放资源,子类实现 +- `release(int arg)`:独占式释放资源模板 + + + +**共享资源(不响应线程中断)** + +- `tryAcquireShared(int arg)`:共享式获取资源,返回值大于等于0则表示获取成功,否则获取失败,子类实现 +- `acquireShared(int arg)`:共享形获取资源模板 +- `tryReleaseShared(int arg)`:共享式释放资源,子类实现 +- `releaseShared(int arg)`:共享式释放资源模板 + + +### 同步状态 + +在AQS中维护了一个同步状态变量state,getState函数获取同步状态,setState、compareAndSetState函数修改同步状态,对于AQS来说,线程同步的关键是对state的操作,可以说获取、释放资源是否成功都是由state决定的,比如state>0代表可获取资源,否则无法获取,所以state的具体语义由实现者去定义,现有的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch定义的state语义都不一样。 + +- ReentrantLock的state用来表示是否有锁资源 +- ReentrantReadWriteLock的state高16位代表读锁状态,低16位代表写锁状态 +- Semaphore的state用来表示可用信号的个数 +- CountDownLatch的state用来表示计数器的值 + + + +### CLH队列 + +CLH是AQS内部维护的FIFO(先进先出)双端双向队列(方便尾部节点插入),基于链表数据结构,当一个线程竞争资源失败,就会将等待资源的线程封装成一个Node节点,通过CAS原子操作插入队列尾部,最终不同的Node节点连接组成了一个CLH队列,所以说AQS通过CLH队列管理竞争资源的线程,个人总结CLH队列具有如下几个优点: + +- 先进先出保证了公平性 +- 非阻塞的队列,通过自旋锁和CAS保证节点插入和移除的原子性,实现无锁快速插入 +- 采用了自旋锁思想,所以CLH也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁 + + + +### Node内部类 + +`Node`是`AQS`的内部类,每个等待资源的线程都会封装成`Node`节点组成`CLH`队列、等待队列,所以说`Node`是非常重要的部分,理解它是理解`AQS`的第一步。 + +![AQS-Node](images/JAVA/AQS-Node.png)**waitStatus等待状态如下** + +![AQS-waitStatus等待状态](images/JAVA/AQS-waitStatus等待状态.png) + +**nextWaiter特殊标记** + +- **`Node`在`CLH`队列时,`nextWaiter`表示共享式或独占式标记** +- **`Node`在条件队列时,`nextWaiter`表示下个`Node`节点指针** + + + +### 流程概述 + +线程获取资源失败,封装成`Node`节点从`C L H`队列尾部入队并阻塞线程,某线程释放资源时会把`C L H`队列首部`Node`节点关联的线程唤醒(**此处的首部是指第二个节点,后面会细说**),再次获取资源。 + +![AQS-流程](images/JAVA/AQS-流程.png) + + + +### 入队 + +获取资源失败的线程需要封装成`Node`节点,接着尾部入队,在`AQS`中提供`addWaiter`函数完成`Node`节点的创建与入队。 + +```java +/** + * @description: Node节点入队-CLH队列 + * @param mode 标记Node.EXCLUSIVE独占式 or Node.SHARED共享式 + */ +private Node addWaiter(Node mode) { + // 根据当前线程创建节点,等待状态为0 + Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); + // 获取尾节点 + Node pred = tail; + if (pred != null) { + // 如果尾节点不等于null,把当前节点的前驱节点指向尾节点 + node.prev = pred; + // 通过CAS把尾节点指向当前节点 + if (compareAndSetTail(pred, node)) { + // 之前尾节点的下个节点指向当前节点 + pred.next = node; + return node; + } + } + + // 如果添加失败或队列不存在,执行end函数 + enq(node); + return node; +} +``` + +添加节点的时候,如果从`CLH`队列已经存在,通过`CAS`快速将当前节点添加到队列尾部,如果添加失败或队列不存在,则指向`enq`函数自旋入队。 + +```java +/** + * @description: 自旋cas入队 + * @param node 节点 + */ +private Node enq(final Node node) { + for (;;) { //循环 + //获取尾节点 + Node t = tail; + if (t == null) { + //如果尾节点为空,创建哨兵节点,通过cas把头节点指向哨兵节点 + if (compareAndSetHead(new Node())) + //cas成功,尾节点指向哨兵节点 + tail = head; + } else { + //当前节点的前驱节点设指向之前尾节点 + node.prev = t; + //cas设置把尾节点指向当前节点 + if (compareAndSetTail(t, node)) { + //cas成功,之前尾节点的下个节点指向当前节点 + t.next = node; + return t; + } + } + } +} +``` + +通过自旋`CAS`尝试往队列尾部插入节点,直到成功,自旋过程如果发现`CLH`队列不存在时会初始化`CLH`队列,入队过程流程如下图: + +![AQS-入队过程流程](images/JAVA/AQS-入队过程流程.png) + +第一次循环 + +- 刚开始C L H队列不存在,head与tail都指向null +- 要初始化C L H队列,会创建一个哨兵节点,head与tail都指向哨兵节点 + +第二次循环 + +- 当前线程节点的前驱节点指向尾部节点(哨兵节点) +- 设置当前线程节点为尾部,tail指向当前线程节点 +- 前尾部节点的后驱节点指向当前线程节点(当前尾部节点) + + + +最后结合addWaiter与enq函数的入队流程图如下 +![AQS-入队流程图](images/JAVA/AQS-入队流程图.png) + +### 出队 + +`CLH`队列中的节点都是获取资源失败的线程节点,当持有资源的线程释放资源时,会将`head.next`指向的线程节点唤醒(**`CLH`队列的第二个节点**),如果唤醒的线程节点获取资源成功,线程节点清空信息设置为头部节点(**新哨兵节点**),原头部节点出队(**原哨兵节点**)**acquireQueued函数中的部分代码** + +```java +//1.获取前驱节点 +final Node p = node.predecessor(); +//如果前驱节点是首节点,获取资源(子类实现) +if (p == head && tryAcquire(arg)) { + //2.获取资源成功,设置当前节点为头节点,清空当前节点的信息,把当前节点变成哨兵节点 + setHead(node); + //3.原来首节点下个节点指向为null + p.next = null; // help GC + //4.非异常状态,防止指向finally逻辑 + failed = false; + //5.返回线程中断状态 + return interrupted; +} + +private void setHead(Node node) { + //节点设置为头部 + head = node; + //清空线程 + node.thread = null; + //清空前驱节点 + node.prev = null; +} +``` + +只需要关注`1~3`步骤即可,过程非常简单,假设获取资源成功,更换头部节点,并把头部节点的信息清除变成哨兵节点,注意这个过程是不需要使用`CAS`来保证,因为只有一个线程能够成功获取到资源。 + +![AQS-出队流程](images/JAVA/AQS-出队流程.png) + + + +### 条件变量 + +Object的wait、notify函数是配合Synchronized锁实现线程间同步协作的功能,A Q S的ConditionObject条件变量也提供这样的功能,通过ConditionObject的await和signal两类函数完成。不同于Synchronized锁,一个A Q S可以对应多个条件变量,而Synchronized只有一个。 +![AQS-条件变量](images/JAVA/AQS-条件变量.png) + +如上图所示,ConditionObject内部维护着一个单向条件队列,不同于C H L队列,条件队列只入队执行await的线程节点,并且加入条件队列的节点,不能在C H L队列, 条件队列出队的节点,会入队到C H L队列。 + +当某个线程执行了ConditionObject的await函数,阻塞当前线程,线程会被封装成Node节点添加到条件队列的末端,其他线程执行ConditionObject的signal函数,会将条件队列头部线程节点转移到C H L队列参与竞争资源,具体流程如下图 +![AQS-CHL队列参与流程](images/JAVA/AQS-CHL队列参与流程.png) + +### 模板方法 + +`AQS`采用了模板方法设计模式,提供了两类模板,一类是独占式模板,另一类是共享形模式,对应的模板函数如下 + +- 独占式 + - **`acquire`获取资源** + - **`release`释放资源** +- 共享式 + - **`acquireShared`获取资源** + - **`releaseShared`释放资源** + +#### 独占式获取资源 + +`acquire`是个模板函数,模板流程就是线程获取共享资源,如果获取资源成功,线程直接返回,否则进入`CLH`队列,直到获取资源成功为止,且整个过程忽略中断的影响,`acquire`函数代码如下 + +![AQS-acquire函数代码](images/JAVA/AQS-acquire函数代码.png) + +- 执行tryAcquire函数,tryAcquire是由子类实现,代表获取资源是否成功,如果资源获取失败,执行下面的逻辑 +- 执行addWaiter函数(前面已经介绍过),根据当前线程创建出独占式节点,并入队CLH队列 +- 执行acquireQueued函数,自旋阻塞等待获取资源 +- 如果acquireQueued函数中获取资源成功,根据线程是否被中断状态,来决定执行线程中断逻辑 + +![AQS-acquireQueued流程](images/JAVA/AQS-acquireQueued流程.png) + +`acquire`函数的大致流程都清楚了,下面来分析下`acquireQueued`函数,线程封装成节点后,是如何自旋阻塞等待获取资源的,代码如下: + +```java +/** + * @description: 自旋机制等待获取资源 + * @param node + * @param arg + * @return: boolean + */ + final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { + //异常状态,默认是 + boolean failed = true; + try { + //该线程是否中断过,默认否 + boolean interrupted = false; + for (;;) {//自旋 + //获取前驱节点 + final Node p = node.predecessor(); + //如果前驱节点是首节点,获取资源(子类实现) + if (p == head && tryAcquire(arg)) { + //获取资源成功,设置当前节点为头节点,清空当前节点的信息,把当前节点变成哨兵节点 + setHead(node); + //原来首节点下个节点指向为null + p.next = null; // help GC + //非异常状态,防止指向finally逻辑 + failed = false; + //返回线程中断状态 + return interrupted; + } + /** + * 如果前驱节点不是首节点,先执行shouldParkAfterFailedAcquire函数,shouldParkAfterFailedAcquire做了三件事 + * 1.如果前驱节点的等待状态是SIGNAL,返回true,执行parkAndCheckInterrupt函数,返回false + * 2.如果前驱节点的等大状态是CANCELLED,把CANCELLED节点全部移出队列(条件节点) + * 3.以上两者都不符合,更新前驱节点的等待状态为SIGNAL,返回false + */ + if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && + //使用LockSupport类的静态方法park挂起当前线程,直到被唤醒,唤醒后检查当前线程是否被中断,返回该线程中断状态并重置中断状态 + parkAndCheckInterrupt()) + //该线程被中断过 + interrupted = true; + } + } finally { + // 尝试获取资源失败并执行异常,取消请求,将当前节点从队列中移除 + if (failed) + cancelAcquire(node); + } + } +``` + +一图胜千言,核心流程图如下: + +![AQS-独占式获取资源流程](images/JAVA/AQS-独占式获取资源流程.png) + + + +#### 独占式释放资源 + +有获取资源,自然就少不了释放资源,`A Q S`中提供了`release`模板函数来释放资源,模板流程就是线程释放资源成功,唤醒`CLH`队列的第二个线程节点(**首节点的下个节点**),代码如下 + +```java + /** + * @description: 独占式-释放资源模板函数 + * @param arg + * @return: boolean + */ + public final boolean release(int arg) { + + if (tryRelease(arg)) {//释放资源成功,tryRelease子类实现 + //获取头部线程节点 + Node h = head; + if (h != null && h.waitStatus != 0) //头部线程节点不为null,并且等待状态不为0 + //唤醒CHL队列第二个线程节点 + unparkSuccessor(h); + return true; + } + return false; + } + + + private void unparkSuccessor(Node node) { + //获取节点等待状态 + int ws = node.waitStatus; + if (ws < 0) + //cas更新节点状态为0 + compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); + + //获取下个线程节点 + Node s = node.next; + if (s == null || s.waitStatus > 0) { //如果下个节点信息异常,从尾节点循环向前获取到正常的节点为止,正常情况不会执行 + s = null; + for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) + if (t.waitStatus <= 0) + s = t; + } + if (s != null) + //唤醒线程节点 + LockSupport.unpark(s.thread); + } + } +``` + +`release`逻辑非常简单,流程图如下: + +![AQS-release流程](images/JAVA/AQS-release流程.png) + + + +#### 共享式获取资源 + +`acquireShared`是个模板函数,模板流程就是线程获取共享资源,如果获取到资源,线程直接返回,否则进入`CLH`队列,直到获取到资源为止,且整个过程忽略中断的影响,`acquireShared`函数代码如下 + +```java + /** + * @description: 共享式-获取资源模板函数 + * @param arg + * @return: void + */ + public final void acquireShared(int arg) { + /** + * 1.负数表示失败 + * 2.0表示成功,但没有剩余可用资源 + * 3.正数表示成功且有剩余资源 + */ + if (tryAcquireShared(arg) < 0) //获取资源失败,tryAcquireShared子类实现 + //自旋阻塞等待获取资源 + doAcquireShared(arg); + } +``` + +`doAcquireShared`函数与独占式的`acquireQueued`函数逻辑基本一致,唯一的区别就是下图红框部分 + +![AQS-共享式获取资源](images/JAVA/AQS-共享式获取资源.png) + +- **节点的标记是共享式** +- **获取资源成功,还会唤醒后续资源,因为资源数可能`>0`,代表还有资源可获取,所以需要做后续线程节点的唤醒** + + + +#### 共享式释放资源 + +`AQS`中提供了`releaseShared`模板函数来释放资源,模板流程就是线程释放资源成功,唤醒CHL队列的第二个线程节点(**首节点的下个节点**),代码如下 + +```java + /** + * @description: 共享式-释放资源模板函数 + * @param arg + * @return: boolean + */ + public final boolean releaseShared(int arg) { + if (tryReleaseShared(arg)) {//释放资源成功,tryReleaseShared子类实现 + //唤醒后继节点 + doReleaseShared(); + return true; + } + return false; + } + + private void doReleaseShared() { + for (;;) { + //获取头节点 + Node h = head; + if (h != null && h != tail) { + int ws = h.waitStatus; + + if (ws == Node.SIGNAL) {//如果头节点等待状态为SIGNAL + if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))//更新头节点等待状态为0 + continue; // loop to recheck cases + //唤醒头节点下个线程节点 + unparkSuccessor(h); + } + //如果后继节点暂时不需要被唤醒,更新头节点等待状态为PROPAGATE + else if (ws == 0 && + !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) + continue; + } + if (h == head) + break; + } + } +``` + +与独占式释放资源区别不大,都是唤醒头节点的下个节点。 + + + + + + + + + **什么是AQS?** `AQS` 的全称是 `AbstractQueuedSynchronizer`,即`抽象队列同步器`。是Java并发工具的基础,采用乐观锁,通过CAS与自旋轻量级的获取锁。维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。很多JUC包,比如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等并发类均是继承AQS,通过AQS的模板方法,来实现的。 diff --git a/images/JAVA/AQS-CHL队列参与流程.png b/images/JAVA/AQS-CHL队列参与流程.png new file mode 100644 index 0000000..a0a2918 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-CHL队列参与流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-Node.png b/images/JAVA/AQS-Node.png new file mode 100644 index 0000000..7de4e61 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-Node.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-acquireQueued流程.png b/images/JAVA/AQS-acquireQueued流程.png new file mode 100644 index 0000000..a0597eb Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-acquireQueued流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-acquire函数代码.png b/images/JAVA/AQS-acquire函数代码.png new file mode 100644 index 0000000..bea1d2d Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-acquire函数代码.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-release流程.png b/images/JAVA/AQS-release流程.png new file mode 100644 index 0000000..69f5afb Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-release流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-waitStatus等待状态.png b/images/JAVA/AQS-waitStatus等待状态.png new file mode 100644 index 0000000..3a68eac Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-waitStatus等待状态.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-入队流程图.png b/images/JAVA/AQS-入队流程图.png new file mode 100644 index 0000000..fe04e6c Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-入队流程图.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-入队过程流程.png b/images/JAVA/AQS-入队过程流程.png new file mode 100644 index 0000000..26a3c47 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-入队过程流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-共享式获取资源.png b/images/JAVA/AQS-共享式获取资源.png new file mode 100644 index 0000000..475b968 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-共享式获取资源.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-出队流程.png b/images/JAVA/AQS-出队流程.png new file mode 100644 index 0000000..80e47e7 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-出队流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-条件变量.png b/images/JAVA/AQS-条件变量.png new file mode 100644 index 0000000..302fb04 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-条件变量.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-流程.png b/images/JAVA/AQS-流程.png new file mode 100644 index 0000000..47a7e82 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-独占式获取资源流程.png b/images/JAVA/AQS-独占式获取资源流程.png new file mode 100644 index 0000000..0a74b76 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-独占式获取资源流程.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS-简化流程图.png b/images/JAVA/AQS-简化流程图.png new file mode 100644 index 0000000..a7b2eed Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS-简化流程图.png differ diff --git a/images/JAVA/AQS的组成结构.png b/images/JAVA/AQS的组成结构.png new file mode 100644 index 0000000..932d124 Binary files /dev/null and b/images/JAVA/AQS的组成结构.png differ