Java中如何实现AQS共享模式与并发工具类
这篇文章主要为大家展示了“Java中如何实现AQS共享模式与并发工具类”,内容简而易懂,条理清晰,希望能够帮助大家解决疑惑,下面让小编带领大家一起研究并学习一下“Java中如何实现AQS共享模式与并发工具类”这篇文章吧。
使用示例
下面这个例子非常实用,我是 javadoc 的搬运工:
// 这是一个关于缓存操作的故事class CachedData { Object data; volatile boolean cacheValid; // 读写锁实例 final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); void processCachedData() { // 获取读锁 rwl.readLock().lock(); if (!cacheValid) { // 如果缓存过期了,或者为 null // 释放掉读锁,然后获取写锁 (后面会看到,没释放掉读锁就获取写锁,会发生死锁情况) rwl.readLock().unlock(); rwl.writeLock().lock(); try { if (!cacheValid) { // 重新判断,因为在等待写锁的过程中,可能前面有其他写线程执行过了 data = ... cacheValid = true; } // 获取读锁 (持有写锁的情况下,是允许获取读锁的,称为 “锁降级”,反之不行。) rwl.readLock().lock(); } finally { // 释放写锁,此时还剩一个读锁 rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read } } try { use(data); } finally { // 释放读锁 rwl.readLock().unlock(); } }}
ReentrantReadWriteLock 分为读锁和写锁两个实例,读锁是共享锁,可被多个线程同时使用,写锁是独占锁。持有写锁的线程可以继续获取读锁,反之不行。
ReentrantReadWriteLock 总览
这一节比较重要,我们要先看清楚 ReentrantReadWriteLock 的大框架,然后再到源码细节。
首先,我们来看下 ReentrantReadWriteLock 的结构,它有好些嵌套类:
大家先仔细看看这张图中的信息。然后我们把 ReadLock 和 WriteLock 的代码提出来一起看,清晰一些:
很清楚了,ReadLock 和 WriteLock 中的方法都是通过 Sync 这个类来实现的。Sync 是 AQS 的子类,然后再派生了公平模式和不公平模式。
从它们调用的 Sync 方法,我们可以看到: ReadLock 使用了共享模式,WriteLock 使用了独占模式。
等等,同一个 AQS 实例怎么可以同时使用共享模式和独占模式???
这里给大家回顾下 AQS,我们横向对比下 AQS 的共享模式和独占模式:
AQS 的精髓在于内部的属性 state:
对于独占模式来说,通常就是 0 代表可获取锁,1 代表锁被别人获取了,重入例外
而共享模式下,每个线程都可以对 state 进行加减操作
也就是说,独占模式和共享模式对于 state 的操作完全不一样,那读写锁 ReentrantReadWriteLock 中是怎么使用 state 的呢?答案是将 state 这个 32 位的 int 值分为高 16 位和低 16位,分别用于共享模式和独占模式。
源码分析
有了前面的概念,大家心里应该都有数了吧,下面就不再那么啰嗦了,直接代码分析。
源代码加注释 1500 行,并不算难,我们要看的代码量不大。如果你前面一节都理解了,那么直接从头开始一行一行往下看就是了,还是比较简单的。
ReentrantReadWriteLock 的前面几行很简单,我们往下滑到 Sync 类,先来看下它的所有的属性:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 下面这块说的就是将 state 一分为二,高 16 位用于共享模式,低16位用于独占模式 static final int SHARED_SHIFT = 16; static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT); static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 取 c 的高 16 位值,代表读锁的获取次数(包括重入) static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; } // 取 c 的低 16 位值,代表写锁的重入次数,因为写锁是独占模式 static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; } // 这个嵌套类的实例用来记录每个线程持有的读锁数量(读锁重入) static final class HoldCounter { // 持有的读锁数 int count = 0; // 线程 id final long tid = getThreadId(Thread.currentThread()); } // ThreadLocal 的子类 static final class ThreadLocalHoldCounter extends ThreadLocal<HoldCounter> { public HoldCounter initialValue() { return new HoldCounter(); } } private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds; // 用于缓存,记录"最后一个获取读锁的线程"的读锁重入次数, // 所以不管哪个线程获取到读锁后,就把这个值占为已用,这样就不用到 ThreadLocal 中查询 map 了 // 算不上理论的依据:通常读锁的获取很快就会伴随着释放, // 显然,在 获取->释放 读锁这段时间,如果没有其他线程获取读锁的话,此缓存就能帮助提高性能 private transient HoldCounter cachedHoldCounter; // 第一个获取读锁的线程(并且其未释放读锁),以及它持有的读锁数量 private transient Thread firstReader = null; private transient int firstReaderHoldCount; Sync() { // 初始化 readHolds 这个 ThreadLocal 属性 readHolds = new ThreadLocalHoldCounter(); // 为了保证 readHolds 的内存可见性 setState(getState()); // ensures visibility of readHolds } ...}
state 的高 16 位代表读锁的获取次数,包括重入次数,获取到读锁一次加 1,释放掉读锁一次减 1
state 的低 16 位代表写锁的获取次数,因为写锁是独占锁,同时只能被一个线程获得,所以它代表重入次数
每个线程都需要维护自己的 HoldCounter,记录该线程获取的读锁次数,这样才能知道到底是不是读锁重入,用 ThreadLocal 属性 readHolds 维护
cachedHoldCounter 有什么用?其实没什么用,但能提示性能。将最后一次获取读锁的线程的 HoldCounter 缓存到这里,这样比使用 ThreadLocal 性能要好一些,因为 ThreadLocal 内部是基于 map 来查询的。但是 cachedHoldCounter 这一个属性毕竟只能缓存一个线程,所以它要起提升性能作用的依据就是:通常读锁的获取紧随着就是该读锁的释放。我这里可能表达不太好,但是大家应该是懂的吧。
firstReader 和 firstReaderHoldCount 有什么用?其实也没什么用,但是它也能提示性能。将”第一个”获取读锁的线程记录在 firstReader 属性中,这里的第一个不是全局的概念,等这个 firstReader 当前代表的线程释放掉读锁以后,会有后来的线程占用这个属性的。firstReader 和 firstReaderHoldCount 使得在读锁不产生竞争的情况下,记录读锁重入次数非常方便快速
如果一个线程使用了 firstReader,那么它就不需要占用 cachedHoldCounter
个人认为,读写锁源码中最让初学者头疼的就是这几个用于提升性能的属性了,使得大家看得云里雾里的。主要是因为 ThreadLocal 内部是通过一个 ThreadLocalMap 来操作的,会增加检索时间。而很多场景下,执行 unlock 的线程往往就是刚刚最后一次执行 lock 的线程,中间可能没有其他线程进行 lock。还有就是很多不怎么会发生读锁竞争的场景。
上面说了这么多,是希望能帮大家降低后面阅读源码的压力,大家也可以先看看后面的,然后再慢慢体会。
前面我们好像都只说读锁,完全没提到写锁,主要是因为写锁真的是简单很多,我也特地将写锁的源码放到了后面,我们先啃下最难的读锁先。
读锁获取
下面我就不一行一行按源码顺序说了,我们按照使用来说。
我们来看下读锁 ReadLock 的 lock 流程:
// ReadLockpublic void lock() { sync.acquireShared(1);}// AQSpublic final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg);}
然后我们就会进到 Sync 类的 tryAcquireShared 方法:
在 AQS 中,如果 tryAcquireShared(arg) 方法返回值小于 0 代表没有获取到共享锁(读锁),大于 0 代表获取到
回顾 AQS 共享模式:tryAcquireShared 方法不仅仅在 acquireShared 的最开始被使用,这里是 try,也就可能会失败,如果失败的话,执行后面的 doAcquireShared,进入到阻塞队列,然后等待前驱节点唤醒。唤醒以后,还是会调用 tryAcquireShared 进行获取共享锁的。当然,唤醒以后再 try 是很容易获得锁的,因为这个节点已经排了很久的队了,组织是会照顾它的。
所以,你在看下面这段代码的时候,要想象到两种获取读锁的场景,一种是新来的,一种是排队排到它的。
protected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // exclusiveCount(c) 不等于 0,说明有线程持有写锁, // 而且不是当前线程持有写锁,那么当前线程获取读锁失败 // (另,如果持有写锁的是当前线程,是可以继续获取读锁的) if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 读锁的获取次数 int r = sharedCount(c); // 读锁获取是否需要被阻塞,稍后细说。为了进去下面的分支,假设这里不阻塞就好了 if (!readerShouldBlock() && // 判断是否会溢出 (2^16-1,没那么容易溢出的) r < MAX_COUNT && // 下面这行 CAS 是将 state 属性的高 16 位加 1,低 16 位不变,如果成功就代表获取到了读锁 compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // ======================= // 进到这里就是获取到了读锁 // ======================= if (r == 0) { // r == 0 说明此线程是第一个获取读锁的,或者说在它前面获取读锁的都走光光了,它也算是第一个吧 // 记录 firstReader 为当前线程,及其持有的读锁数量:1 firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { // 进来这里,说明是 firstReader 重入获取读锁(这非常简单,count 加 1 结束) firstReaderHoldCount++; } else { // 前面我们说了 cachedHoldCounter 用于缓存最后一个获取读锁的线程 // 如果 cachedHoldCounter 缓存的不是当前线程,设置为缓存当前线程的 HoldCounter HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) // 到这里,那么就是 cachedHoldCounter 缓存的是当前线程,但是 count 为 0, // 大家可以思考一下:这里为什么要 set ThreadLocal 呢?(当然,答案肯定不在这块代码中) // 既然 cachedHoldCounter 缓存的是当前线程, // 当前线程肯定调用过 readHolds.get() 进行初始化 ThreadLocal readHolds.set(rh); // count 加 1 rh.count++; } // return 大于 0 的数,代表获取到了共享锁 return 1; } // 往下看 return fullTryAcquireShared(current);}
上面的代码中,要进入 if 分支,需要满足:readerShouldBlock() 返回 false,并且 CAS 要成功(我们先不要纠结 MAX_COUNT 溢出)。
那我们反向推,怎么样进入到最后的 fullTryAcquireShared:
readerShouldBlock() 返回 true,2 种情况:
在 FairSync 中说的是 hasQueuedPredecessors(),即阻塞队列中有其他元素在等待锁。
也就是说,公平模式下,有人在排队呢,你新来的不能直接获取锁
在 NonFairSync 中说的是 apparentlyFirstQueuedIsExclusive(),即判断阻塞队列中 head 的第一个后继节点是否是来获取写锁的,如果是的话,让这个写锁先来,避免写锁饥饿。
作者给写锁定义了更高的优先级,所以如果碰上获取写锁的线程马上就要获取到锁了,获取读锁的线程不应该和它抢。
如果 head.next 不是来获取写锁的,那么可以随便抢,因为是非公平模式,大家比比 CAS 速度
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT) 这里 CAS 失败,存在竞争。可能是和另一个读锁获取竞争,当然也可能是和另一个写锁获取操作竞争。
然后就会来到 fullTryAcquireShared 中再次尝试:
final int fullTryAcquireShared(Thread current) { HoldCounter rh = null; // 别忘了这外层有个 for 循环 for (;;) { int c = getState(); // 如果其他线程持有了写锁,自然这次是获取不到读锁了,乖乖到阻塞队列排队吧 if (exclusiveCount(c) != 0) { if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // else we hold the exclusive lock; blocking here // would cause deadlock. } else if (readerShouldBlock()) { // firstReader 线程重入读锁,直接到下面的 CAS if (firstReader == current) { // assert firstReaderHoldCount > 0; } else { if (rh == null) { rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) { // cachedHoldCounter 缓存的不是当前线程 // 那么到 ThreadLocal 中获取当前线程的 HoldCounter // 如果当前线程从来没有初始化过 ThreadLocal 中的值,get() 会执行初始化 rh = readHolds.get(); // 如果发现 count == 0,也就是说,纯属上一行代码初始化的,那么执行 remove // 然后往下两三行,乖乖排队去 if (rh.count == 0) readHolds.remove(); } } if (rh.count == 0) // 排队去。 return -1; } } if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 这里 CAS 成功,那么就意味着成功获取读锁了 // 下面需要做的是设置 firstReader 或 cachedHoldCounter if (sharedCount(c) == 0) { // 如果发现 sharedCount(c) 等于 0,就将当前线程设置为 firstReader firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { // 下面这几行,就是将 cachedHoldCounter 设置为当前线程 if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; cachedHoldCounter = rh; } // 返回大于 0 的数,代表获取到了读锁 return 1; } }}
firstReader 是每次将读锁获取次数从 0 变为 1 的那个线程。
能缓存到 firstReader 中就不要缓存到 cachedHoldCounter 中。
上面的源码分析应该说得非常详细了,如果到这里你不太能看懂上面的有些地方的注释,那么可以先往后看,然后再多看几遍。
读锁释放
下面我们看看读锁释放的流程:
// ReadLockpublic void unlock() { sync.releaseShared(1);}
// Syncpublic final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); // 这句代码其实唤醒 获取写锁的线程,往下看就知道了 return true; } return false;}// Syncprotected final boolean tryReleaseShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); if (firstReader == current) { if (firstReaderHoldCount == 1) // 如果等于 1,那么这次解锁后就不再持有锁了,把 firstReader 置为 null,给后来的线程用 // 为什么不顺便设置 firstReaderHoldCount = 0?因为没必要,其他线程使用的时候自己会设值 firstReader = null; else firstReaderHoldCount--; } else { // 判断 cachedHoldCounter 是否缓存的是当前线程,不是的话要到 ThreadLocal 中取 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); int count = rh.count; if (count <= 1) { // 这一步将 ThreadLocal remove 掉,防止内存泄漏。因为已经不再持有读锁了 readHolds.remove(); if (count <= 0) // 就是那种,lock() 一次,unlock() 好几次的逗比 throw unmatchedUnlockException(); } // count 减 1 --rh.count; } for (;;) { int c = getState(); // nextc 是 state 高 16 位减 1 后的值 int nextc = c - SHARED_UNIT; if (compareAndSetState(c, nextc)) // 如果 nextc == 0,那就是 state 全部 32 位都为 0,也就是读锁和写锁都空了 // 此时这里返回 true 的话,其实是帮助唤醒后继节点中的获取写锁的线程 return nextc == 0; }}
读锁释放的过程还是比较简单的,主要就是将 hold count 减 1,如果减到 0 的话,还要将 ThreadLocal 中的 remove 掉。
然后是在 for 循环中将 state 的高 16 位减 1,如果发现读锁和写锁都释放光了,那么唤醒后继的获取写锁的线程。
写锁获取
写锁是独占锁。
如果有读锁被占用,写锁获取是要进入到阻塞队列中等待的。
// WriteLockpublic void lock() { sync.acquire(1);}// AQSpublic final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && // 如果 tryAcquire 失败,那么进入到阻塞队列等待 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt();}// Syncprotected final boolean tryAcquire(int acquires) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); int w = exclusiveCount(c); if (c != 0) { // 看下这里返回 false 的情况: // c != 0 && w == 0: 写锁可用,但是有线程持有读锁(也可能是自己持有) // c != 0 && w !=0 && current != getExclusiveOwnerThread(): 其他线程持有写锁 // 也就是说,只要有读锁或写锁被占用,这次就不能获取到写锁 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 这里不需要 CAS,仔细看就知道了,能到这里的,只可能是写锁重入,不然在上面的 if 就拦截了 setState(c + acquires); return true; } // 如果写锁获取不需要 block,那么进行 CAS,成功就代表获取到了写锁 if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) return false; setExclusiveOwnerThread(current); return true;}
下面看一眼 writerShouldBlock() 的判定,然后你再回去看一篇写锁获取过程。
static final class NonfairSync extends Sync { // 如果是非公平模式,那么 lock 的时候就可以直接用 CAS 去抢锁,抢不到再排队 final boolean writerShouldBlock() { return false; // writers can always barge } ...}static final class FairSync extends Sync { final boolean writerShouldBlock() { // 如果是公平模式,那么如果阻塞队列有线程等待的话,就乖乖去排队 return hasQueuedPredecessors(); } ...}
写锁释放
// WriteLockpublic void unlock() { sync.release(1);}// AQSpublic final boolean release(int arg) { // 1\. 释放锁 if (tryRelease(arg)) { // 2\. 如果独占锁释放"完全",唤醒后继节点 Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false;}// Sync // 释放锁,是线程安全的,因为写锁是独占锁,具有排他性// 实现很简单,state 减 1 就是了protected final boolean tryRelease(int releases) { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); int nextc = getState() - releases; boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; if (free) setExclusiveOwnerThread(null); setState(nextc); // 如果 exclusiveCount(nextc) == 0,也就是说包括重入的,所有的写锁都释放了, // 那么返回 true,这样会进行唤醒后继节点的操作。 return free;}
看到这里,是不是发现写锁相对于读锁来说要简单很多。
锁降级
Doug Lea 没有说写锁更高级,如果有线程持有读锁,那么写锁获取也需要等待。
不过从源码中也可以看出,确实会给写锁一些特殊照顾,如非公平模式下,为了提高吞吐量,lock 的时候会先 CAS 竞争一下,能成功就代表读锁获取成功了,但是如果发现 head.next 是获取写锁的线程,就不会去做 CAS 操作。
Doug Lea 将持有写锁的线程,去获取读锁的过程称为锁降级(Lock downgrading)。这样,此线程就既持有写锁又持有读锁。
但是,锁升级是不可以的。线程持有读锁的话,在没释放的情况下不能去获取写锁,因为会发生死锁。
回去看下写锁获取的源码:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); int w = exclusiveCount(c); if (c != 0) { // 看下这里返回 false 的情况: // c != 0 && w == 0: 写锁可用,但是有线程持有读锁(也可能是自己持有) // c != 0 && w !=0 && current != getExclusiveOwnerThread(): 其他线程持有写锁 // 也就是说,只要有读锁或写锁被占用,这次就不能获取到写锁 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; ... } ...}
仔细想想,如果线程 a 先获取了读锁,然后获取写锁,那么线程 a 就到阻塞队列休眠了,自己把自己弄休眠了,而且可能之后就没人去唤醒它了。
总结
以上是“Java中如何实现AQS共享模式与并发工具类”这篇文章的所有内容,感谢各位的阅读!相信大家都有了一定的了解,希望分享的内容对大家有所帮助,如果还想学习更多知识,欢迎关注编程网行业资讯频道!
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