互聯網JAVA面試常問問題（七）- 帶你走入AQS同步器源碼

  • 2019 年 10 月 6 日
  • 筆記

周末叫醒我的不是忘記關掉的鬧鐘，而是一顆愛學習的紅心～大家周日好，歡迎和小強一起繼續研究互聯網JAVA面試題～

上一篇文章中，小強給大家介紹了可重入鎖的相關知識，通過學習ReentrantLock的源碼能夠看出，它繼承了AbstractQueuedSynchronizer。所以，本文再簡單的的介紹一下AQS的源碼。

AbstractQueuedSynchronizer

隊列式的同步器，AQS定義了一套多執行緒訪問共享資源的同步器框架，許多同步類實現都依賴於它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch。AQS的源碼如下：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer         extends AbstractOwnableSynchronizer         implements java.io.Serializable {      protected AbstractQueuedSynchronizer() { }      static final class Node {         ........     }      private transient volatile Node head;      private transient volatile Node tail;      private volatile int state;      protected final int getState() {          return state;     }      protected final void setState(int newState) {         state = newState;     }     protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {        // See below for intrinsics setup to support this         return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);     }

從源碼可以看出，AQS內部使用一個int成員變數表示同步狀態，通過內置的FIFO隊列來完成資源獲取執行緒的排隊工作，多執行緒爭用資源被阻塞時會進入此隊列，其中volatile修飾了以下變數，來保證了多執行緒之間的可見：

1.內部狀態state

2.等待隊列的頭節點head

3.等待隊列的尾節點head。

state的訪問方式有三種:

1.getState()

2.setState()

3.compareAndSetState()

其中FIFO隊列的實現如下，每個節點中，除了存儲了當前執行緒，前後節點的引用以外，還有一個waitStatus變數，用於描述節點當前的狀態（共四種狀態：1.CANCELLED 取消狀態；2.SIGNAL 等待觸髮狀態；3.CONDITION 等待條件狀態；4.PROPAGATE 狀態需要向後傳播 ）

static final class Node {  static final AbstractQueuedSynchronizer.Node SHARED = new AbstractQueuedSynchronizer.Node();  static final AbstractQueuedSynchronizer.Node EXCLUSIVE = null;  static final int CANCELLED =  1;  static final int SIGNAL    = -1;  static final int CONDITION = -2;  static final int PROPAGATE = -3;  volatile int waitStatus;  volatile AbstractQueuedSynchronizer.Node prev;  volatile AbstractQueuedSynchronizer.Node next;  volatile Thread thread;AbstractQueuedSynchronizer.Node nextWaiter;  final boolean isShared() {      return nextWaiter == SHARED;  }  final AbstractQueuedSynchronizer.Node predecessor() throws NullPointerException {     AbstractQueuedSynchronizer.Node p = prev;      if (p == null)          throw new NullPointerException();      else         return p;  }  }

AQS的不同子類爭用共享資源的方式也不同。AQS子類中，只需要實現共享資源state的獲取與釋放方式即可，至於具體執行緒等待隊列的維護（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等），AQS已經在頂層實現好了。自定義同步器實現時主要實現以下幾種方法：

isHeldExclusively()：該執行緒是否正在獨佔資源。只有用到condition才需要去實現它。  tryAcquire(int)：獨佔方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。  tryRelease(int)：獨佔方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。  tryAcquireShared(int)：共享方式。嘗試獲取資源。負數表示失；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源。  tryReleaseShared(int)：共享方式。嘗試釋放資源，如果釋放後允許喚醒後續等待結點返回true，否則返回false。

在AQS中，有兩種資源共享方式：Exclusive（獨佔，只有一個執行緒能執行，如ReentrantLock）和Share（共享，多個執行緒可同時執行，如Semaphore/CountDownLatch）。接下來主要介紹Exclusive下是如何獲取和釋放鎖的：

鎖獲取acquire(int)
 /**      * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented      * by invoking at least once {@link #tryAcquire},      * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly      * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link      * #tryAcquire} until success.  This method can be used      * to implement method {@link Lock#lock}.      *      * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to      *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and      *        can represent anything you like.      */     public final void acquire(int arg) {          if (!tryAcquire(arg) &&             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))             selfInterrupt();     }

所以在獲取鎖的過程中，我們看到了如下步驟

1.tryAcquire()嘗試直接去獲取資源，如果成功則直接返回；

2.addWaiter()將該執行緒加入等待隊列的尾部，並標記為獨佔模式；

3.acquireQueued()使執行緒在等待隊列中獲取資源，一直獲取到資源後才返回。如果在整個等待過程中被中斷過，則返回true，否則返回false。

4.如果執行緒在等待過程中被中斷過，它是不響應的。只是獲取資源後才再進行自我中斷selfInterrupt()，將中斷補上。

鎖釋放release(int)
    /**      * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or      * more threads if {@link #tryRelease} returns true.      * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.      *      * @param arg the release argument.  This value is conveyed to      *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and      *        can represent anything you like.      * @return the value returned from {@link #tryRelease}      */     public final boolean release(int arg) {          if (tryRelease(arg)) {             Node h = head;              if (h != null && h.waitStatus != 0)                 unparkSuccessor(h);              return true;         }          return false;     }

此方法是獨佔模式下執行緒釋放共享資源的頂層入口。它會釋放指定量的資源，如果徹底釋放了（即state=0）,它會喚醒等待隊列里的其他執行緒來獲取資源。它調用tryRelease()來釋放資源。

小結

最後再回顧一下AQS的應用，以及ReentrantLock是如何實現的

ReentrantLock中state初始化為0，表示未鎖定狀態。當一個執行緒lock()時，會調用tryAcquire()獨佔該鎖並將state+1。此後，其他執行緒再tryAcquire()時就會失敗，直到此執行緒unlock()到state=0（即釋放鎖）為止，其它執行緒才有機會獲取該鎖。當然，釋放鎖之前，這個執行緒自己是可以重複獲取此鎖的（state會累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多麼次，這樣才能保證state是能回到零態的。

一般來說，自定義同步器要麼是獨佔方法，要麼是共享方式，他們也只需實現tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種即可。但AQS也支援自定義同步器同時實現獨佔和共享兩種方式，如ReentrantReadWriteLock。

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