深入理解AQS

西伯利亞愛學習的狼發表於2021-04-02
AQS

目錄

簡介

AQS是Java併發包中很重要的一個抽象類，我們所使用的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore等都是基於AQS來實現的。

1.1 實現原理

AQS中維護了一個state變數這個表示共享的資源，以及一個CHL佇列（多執行緒爭奪資源的時候被阻塞的執行緒將會被放進這個佇列）。這個佇列不需要我們去維護，我們需要關注的幾個點就是state變數的獲取和釋放規則。
state 變數被宣告的型別是volatile型別保證多執行緒下的資源可見性，state=1表示當前資源被佔用。
state值的更新是通過CAS操作來保證它修改的安全性。

AQS中提供了以下主要的方法：

  • getState()：獲取鎖的標誌state值
  • setState()：設定鎖的標誌state值
  • tryAcquire(int)：獨佔方式獲取鎖。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
  • tryRelease(int)：獨佔方式釋放鎖。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。

這裡對應獨佔鎖還有兩個方法是對應共享鎖的 tryShare方法。

private volatile int state;//共享變數，使用volatile修飾保證執行緒可見性
//返回同步狀態的當前值
protected final int getState() {
        return state;
}
 // 設定同步狀態的值
protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
}
//原子地（CAS操作）將同步狀態值設定為給定值update如果當前同步狀態的值等於expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

2.1 一些同步器的實現

ReentrantLock 預設採用非公平鎖，因為考慮獲得更好的效能，通過 boolean 來決定是否用公平鎖（傳入 true 用公平鎖）。

/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
public ReentrantLock() {
    // 預設非公平鎖
    sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock 中公平鎖的 lock 方法

static final class FairSync extends Sync {
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 1. 和非公平鎖相比，這裡多了一個判斷：是否有執行緒在等待
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

非公平鎖的 lock 方法：

static final class NonfairSync extends Sync {
    final void lock() {
        // 2. 和公平鎖相比，這裡會直接先進行一次CAS，成功就返回了
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg)
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}
/**
 * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is implemented in
 * subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
 */
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 這裡沒有對阻塞佇列進行判斷
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

總結：公平鎖和非公平鎖只有兩處不同：

非公平鎖在呼叫 lock 後，首先就會呼叫 CAS 進行一次搶鎖，如果這個時候恰巧鎖沒有被佔用，那麼直接就獲取到鎖返回了。
非公平鎖在 CAS 失敗後，和公平鎖一樣都會進入到 tryAcquire 方法，在 tryAcquire 方法中，如果發現鎖這個時候被釋放了（state == 0），非公平鎖會直接 CAS 搶鎖，但是公平鎖會判斷等待佇列是否有執行緒處於等待狀態，如果有則不去搶鎖，乖乖排到後面。
公平鎖和非公平鎖就這兩點區別，如果這兩次 CAS 都不成功，那麼後面非公平鎖和公平鎖是一樣的，都要進入到阻塞佇列等待喚醒。

相對來說，非公平鎖會有更好的效能，因為它的吞吐量比較大。當然，非公平鎖讓獲取鎖的時間變得更加不確定，可能會導致在阻塞佇列中的執行緒長期處於飢餓狀態。

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