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再谈AbstractQueuedSynchronizer：共享模式与基于Condition的等待/通知机制实现

2024-10-15 18:40:02   215人阅读

共享模式acquire实现流程

上文我们讲解了AbstractQueuedSynchronizer独占模式的acquire实现流程，本文趁热打铁继续看一下AbstractQueuedSynchronizer共享模式acquire的实现流程。连续两篇文章的学习，也可以对比独占模式acquire和共享模式acquire的区别，加深对于AbstractQueuedSynchronizer的理解。

先看一下共享模式acquire的实现，方法为acquireShared和acquireSharedInterruptibly，两者差别不大，区别就在于后者有中断处理，以acquireShared为例：

 1 public final void acquireShared(int arg) {
 2     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
 3         doAcquireShared(arg);
 4 }

这里就能看出第一个差别来了：独占模式acquire的时候子类重写的方法tryAcquire返回的是boolean，即是否tryAcquire成功；共享模式acquire的时候，返回的是一个int型变量，判断是否<0。doAcquireShared方法的实现为：

 1 private void doAcquireShared(int arg) {
 2     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
 3     boolean failed = true;
 4     try {
 5         boolean interrupted = false;
 6         for (;;) {
 7             final Node p = node.predecessor();
 8             if (p == head) {
 9                 int r = tryAcquireShared(arg);
10                 if (r >= 0) {
11                     setHeadAndPropagate(node, r);
12                     p.next = null; // help GC
13                     if (interrupted)
14                         selfInterrupt();
15                     failed = false;
16                     return;
17                 }
18             }
19             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
20                 parkAndCheckInterrupt())
21                 interrupted = true;
22         }
23     } finally {
24         if (failed)
25             cancelAcquire(node);
26     }
27 }

我们来分析一下这段代码做了什么：

  1. addWaiter，把所有tryAcquireShared<0的线程实例化出一个Node，构建为一个FIFO队列，这和独占锁是一样的
  2. 拿当前节点的前驱节点，只有前驱节点是head的节点才能tryAcquireShared，这和独占锁也是一样的
  3. 前驱节点不是head的，执行"shouldParkAfterFailedAcquire() && parkAndCheckInterrupt()"，for(;;)循环，"shouldParkAfterFailedAcquire()"方法执行2次，当前线程阻塞，这和独占锁也是一样的

确实，共享模式下的acquire和独占模式下的acquire大部分逻辑差不多，最大的差别在于tryAcquireShared成功之后，独占模式的acquire是直接将当前节点设置为head节点即可，共享模式会执行setHeadAndPropagate方法，顾名思义，即在设置head之后多执行了一步propagate操作。setHeadAndPropagate方法源码为：

 1 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
 2     Node h = head; // Record old head for check below
 3     setHead(node);
 4     /*
 5      * Try to signal next queued node if:
 6      *   Propagation was indicated by caller,
 7      *     or was recorded (as h.waitStatus) by a previous operation
 8      *     (note: this uses sign-check of waitStatus because
 9      *      PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)
10      * and
11      *   The next node is waiting in shared mode,
12      *     or we don‘t know, because it appears null
13      *
14      * The conservatism in both of these checks may cause
15      * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple
16      * racing acquires/releases, so most need signals now or soon
17      * anyway.
18      */
19     if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
20         Node s = node.next;
21         if (s == null || s.isShared())
22             doReleaseShared();
23     }
24 }

第3行的代码设置重设head，第2行的代码由于第3行的代码要重设head，因此先定义一个Node型变量h获得原head的地址，这两行代码很简单。

第19行~第23行的代码是独占锁和共享锁最不一样的一个地方，我们再看独占锁acquireQueued的代码：

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
 2     boolean failed = true;
 3     try {
 4         boolean interrupted = false;
 5         for (;;) {
 6             final Node p = node.predecessor();
 7             if (p == head && tryAcquire(arg)) {
 8                 setHead(node);
 9                 p.next = null; // help GC
10                 failed = false;
11                 return interrupted;
12             }
13             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
14                 parkAndCheckInterrupt())
15                 interrupted = true;
16         }
17     } finally {
18         if (failed)
19             cancelAcquire(node);
20     }
21 }

这意味着独占锁某个节点被唤醒之后，它只需要将这个节点设置成head就完事了，而共享锁不一样，某个节点被设置为head之后，如果它的后继节点是SHARED状态的，那么将继续通过doReleaseShared方法尝试往后唤醒节点，实现了共享状态的向后传播。

 

共享模式release实现流程

上面讲了共享模式下acquire是如何实现的，下面再看一下release的实现流程，方法为releaseShared：

1 public final boolean releaseShared(int arg) {
2     if (tryReleaseShared(arg)) {
3         doReleaseShared();
4         return true;
5     }
6     return false;
7 }

tryReleaseShared方法是子类实现的，如果tryReleaseShared成功，那么执行doReleaseShared()方法：

 1 private void doReleaseShared() {
 2     /*
 3      * Ensure that a release propagates, even if there are other
 4      * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
 5      * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
 6      * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
 7      * ensure that upon release, propagation continues.
 8      * Additionally, we must loop in case a new node is added
 9      * while we are doing this. Also, unlike other uses of
10      * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
11      * fails, if so rechecking.
12      */
13     for (;;) {
14         Node h = head;
15         if (h != null && h != tail) {
16             int ws = h.waitStatus;
17             if (ws == Node.SIGNAL) {
18                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
19                     continue;            // loop to recheck cases
20                 unparkSuccessor(h);
21             }
22             else if (ws == 0 &&
23                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
24                 continue;                // loop on failed CAS
25         }
26         if (h == head)                   // loop if head changed
27             break;
28     }
29 }

主要是两层逻辑：

  1. 头结点本身的waitStatus是SIGNAL且能通过CAS算法将头结点的waitStatus从SIGNAL设置为0，唤醒头结点的后继节点
  2. 头结点本身的waitStatus是0的话，尝试将其设置为PROPAGATE状态的，意味着共享状态可以向后传播

 

Condition的await()方法实现原理----构建等待队列

我们知道，Condition是用于实现通知/等待机制的，和Object的wait()/notify()一样，由于本文之前描述AbstractQueuedSynchronizer的共享模式的篇幅不是很长，加之Condition也是AbstractQueuedSynchronizer的一部分，因此将Condition也放在这里写了。

Condition分为await()和signal()两部分，前者用于等待、后者用于唤醒，首先看一下await()是如何实现的。Condition本身是一个接口，其在AbstractQueuedSynchronizer中的实现为ConditionObject：

1 public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
2         private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
3         /** First node of condition queue. */
4         private transient Node firstWaiter;
5         /** Last node of condition queue. */
6         private transient Node lastWaiter;
7         
8         ...
9 }

这里贴了一些字段定义，后面都是方法就不贴了，会对重点方法进行分析的。从字段定义我们可以看到，ConditionObject全局性地记录了第一个等待的节点与最后一个等待的节点。

像ReentrantLock每次要使用ConditionObject，直接new一个ConditionObject出来即可。我们关注一下await()方法的实现：

 1 public final void await() throws InterruptedException {
 2     if (Thread.interrupted())
 3         throw new InterruptedException();
 4     Node node = addConditionWaiter();
 5     int savedState = fullyRelease(node);
 6     int interruptMode = 0;
 7     while (!isOnSyncQueue(node)) {
 8         LockSupport.park(this);
 9         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
10             break;
11     }
12     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
13         interruptMode = REINTERRUPT;
14     if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
15         unlinkCancelledWaiters();
16     if (interruptMode != 0)
17         reportInterruptAfterWait(interruptMode);
18 }

第2行~第3行的代码用于处理中断，第4行代码比较关键，添加Condition的等待者，看一下实现：

 1 private Node addConditionWaiter() {
 2     Node t = lastWaiter;
 3     // If lastWaiter is cancelled, clean out.
 4     if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
 5         unlinkCancelledWaiters();
 6         t = lastWaiter;
 7     }
 8     Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
 9     if (t == null)
10         firstWaiter = node;
11     else
12         t.nextWaiter = node;
13     lastWaiter = node;
14     return node;
15 }

首先拿到队列（注意数据结构，Condition构建出来的也是一个队列）中最后一个等待者，紧接着第4行的的判断，判断最后一个等待者的waitStatus不是CONDITION的话，执行第5行的代码，解绑取消的等待者，因为通过第8行的代码，我们看到，new出来的Node的状态都是CONDITION的。

那么unlinkCancelledWaiters做了什么？里面的流程就不看了，就是一些指针遍历并判断状态的操作，总结一下就是：从头到尾遍历每一个Node，遇到Node的waitStatus不是CONDITION的就从队列中踢掉，该节点的前后节点相连。

接着第8行的代码前面说过了，new出来了一个Node，存储了当前线程，waitStatus是CONDITION，接着第9行~第13行的操作很好理解：

  1. 如果lastWaiter是null，说明FIFO队列中没有任何Node，firstWaiter=Node
  2. 如果lastWaiter不是null，说明FIFO队列中有Node，原lastWaiter的next指向Node
  3. 无论如何，新加入的Node编程lastWaiter，即新加入的Node一定是在最后面

用一张图表示一下构建的数据结构就是：

技术分享

对比学习，我们总结一下Condition构建出来的队列和AbstractQueuedSynchronizer构建出来的队列的差别，主要体现在2点上：

  1. AbstractQueuedSynchronizer构建出来的队列，头节点是一个没有Thread的空节点，其标识作用，而Condition构建出来的队列，头节点就是真正等待的节点
  2. AbstractQueuedSynchronizer构建出来的队列，节点之间有next与pred相互标识该节点的前一个节点与后一个节点的地址，而Condition构建出来的队列，只使用了nextWaiter标识下一个等待节点的地址

整个过程中，我们看到没有使用任何CAS操作，firstWaiter和lastWaiter也没有用volatile修饰，其实原因很简单：要await()必然要先lock()，既然lock()了就表示没有竞争，没有竞争自然也没必要使用volatile+CAS的机制去保证什么。

 

Condition的await()方法实现原理----线程等待

前面我们看了Condition构建等待队列的过程，接下来我们看一下等待的过程，await()方法的代码比较短，再贴一下：

 1 public final void await() throws InterruptedException {
 2     if (Thread.interrupted())
 3         throw new InterruptedException();
 4     Node node = addConditionWaiter();
 5     int savedState = fullyRelease(node);
 6     int interruptMode = 0;
 7     while (!isOnSyncQueue(node)) {
 8         LockSupport.park(this);
 9         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
10             break;
11     }
12     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
13         interruptMode = REINTERRUPT;
14     if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
15         unlinkCancelledWaiters();
16     if (interruptMode != 0)
17         reportInterruptAfterWait(interruptMode);
18 }

构建完毕队列之后，执行第5行的fullyRelease方法，顾名思义：fullyRelease方法的作用是完全释放Node的状态。方法实现为：

 1 final int fullyRelease(Node node) {
 2     boolean failed = true;
 3     try {
 4         int savedState = getState();
 5         if (release(savedState)) {
 6             failed = false;
 7             return savedState;
 8         } else {
 9             throw new IllegalMonitorStateException();
10         }
11     } finally {
12         if (failed)
13             node.waitStatus = Node.CANCELLED;
14     }
15 }

这里第4行获取state，第5行release的时候将整个state传过去，理由是某线程可能多次调用了lock()方法，比如调用了10次lock，那么此线程就将state加到了10，所以这里要将10传过去，将状态全部释放，这样后面的线程才能重新从state=0开始竞争锁，这也是方法被命名为fullyRelease的原因，因为要完全释放锁，释放锁之后，如果有竞争锁的线程，那么就唤醒第一个，这都是release方法的逻辑了，前面的文章详细讲解过。

接着看await()方法的第7行判断"while(!isOnSyncQueue(node))"：

 1 final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
 2     if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
 3         return false;
 4     if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
 5         return true;
 6     /*
 7      * node.prev can be non-null, but not yet on queue because
 8      * the CAS to place it on queue can fail. So we have to
 9      * traverse from tail to make sure it actually made it.  It
10      * will always be near the tail in calls to this method, and
11      * unless the CAS failed (which is unlikely), it will be
12      * there, so we hardly ever traverse much.
13      */
14     return findNodeFromTail(node);
15 }

注意这里的判断是Node是否在AbstractQueuedSynchronizer构建的队列中而不是Node是否在Condition构建的队列中，如果Node不在AbstractQueuedSynchronizer构建的队列中，那么调用LockSupport的park方法阻塞。

至此调用await()方法的线程构建Condition等待队列--释放锁--等待的过程已经全部分析完毕。

 

Condition的signal()实现原理

上面的代码分析了构建Condition等待队列--释放锁--等待的过程，接着看一下signal()方法通知是如何实现的：

1 public final void signal() {
2     if (!isHeldExclusively())
3         throw new IllegalMonitorStateException();
4     Node first = firstWaiter;
5     if (first != null)
6         doSignal(first);
7 }

首先从第2行的代码我们看到，要能signal()，当前线程必须持有独占锁，否则抛出异常IllegalMonitorStateException。

那么真正操作的时候，获取第一个waiter，如果有waiter，调用doSignal方法：

1 private void doSignal(Node first) {
2     do {
3         if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
4             lastWaiter = null;
5         first.nextWaiter = null;
6     } while (!transferForSignal(first) &&
7              (first = firstWaiter) != null);
8 }

第3行~第5行的代码很好理解：

  1. 重新设置firstWaiter，指向第一个waiter的nextWaiter
  2. 如果第一个waiter的nextWaiter为null，说明当前队列中只有一个waiter，lastWaiter置空
  3. 因为firstWaiter是要被signal的，因此它没什么用了，nextWaiter置空

接着执行第6行和第7行的代码，这里重点就是第6行的transferForSignal方法：

 1 final boolean transferForSignal(Node node) {
 2     /*
 3      * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
 4      */
 5     if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
 6         return false;
 7 
 8     /*
 9      * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
10      * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
11      * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
12      * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
13      */
14     Node p = enq(node);
15     int ws = p.waitStatus;
16     if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
17         LockSupport.unpark(node.thread);
18     return true;
19 }

方法本意是将一个节点从Condition队列转换为AbstractQueuedSynchronizer队列，总结一下方法的实现：

  1. 尝试将Node的waitStatus从CONDITION置为0，这一步失败直接返回false
  2. 当前节点进入调用enq方法进入AbstractQueuedSynchronizer队列
  3. 当前节点通过CAS机制将waitStatus置为SIGNAL

最后上面的步骤全部成功，返回true，返回true唤醒等待节点成功。从唤醒的代码我们可以得出一个重要结论：某个await()的节点被唤醒之后并不意味着它后面的代码会立即执行，它会被加入到AbstractQueuedSynchronizer队列的尾部，只有前面等待的节点获取锁全部完毕才能轮到它。

代码分析到这里，我想类似的signalAll方法也没有必要再分析了，显然signalAll方法的作用就是将所有Condition队列中等待的节点逐一队列中从移除，由CONDITION状态变为SIGNAL状态并加入AbstractQueuedSynchronizer队列的尾部。

 

代码示例

可能大家看了我分析半天代码会有点迷糊，这里最后我贴一段我用于验证上面Condition结论的示例代码，首先建立一个Thread，我将之命名为ConditionThread：

 1 /**
 2  * @author 五月的仓颉http://www.cnblogs.com/xrq730/p/7067904.html
 3  */
 4 public class ConditionThread implements Runnable {
 5 
 6     private Lock lock;
 7     
 8     private Condition condition;
 9     
10     public ConditionThread(Lock lock, Condition condition) {
11         this.lock = lock;
12         this.condition = condition;
13     }
14     
15     @Override
16     public void run() {
17         
18         if ("线程0".equals(JdkUtil.getThreadName())) {
19             thread0Process();
20         } else if ("线程1".equals(JdkUtil.getThreadName())) {
21             thread1Process();
22         } else if ("线程2".equals(JdkUtil.getThreadName())) {
23             thread2Process();
24         }
25         
26     }
27     
28     private void thread0Process() {
29         try {
30             lock.lock();
31             System.out.println("线程0休息5秒");
32             JdkUtil.sleep(5000);
33             condition.signal();
34             System.out.println("线程0唤醒等待线程");
35         } finally {
36             lock.unlock();
37         }
38     }
39     
40     private void thread1Process() {
41         try {
42             lock.lock();
43             System.out.println("线程1阻塞");
44             condition.await();
45             System.out.println("线程1被唤醒");
46         } catch (InterruptedException e) {
47             
48         } finally {
49             lock.unlock();
50         }
51     }
52     
53     private void thread2Process() {
54         try {
55             System.out.println("线程2想要获取锁");
56             lock.lock();
57             System.out.println("线程2获取锁成功");
58         } finally {
59             lock.unlock();
60         }
61     }
62     
63 }

这个类里面的方法就不解释了，反正就三个方法片段，根据线程名判断，每个线层执行的是其中的一个代码片段。写一段测试代码：

 1 /**
 2  * @author 五月的仓颉http://www.cnblogs.com/xrq730/p/7067904.html
 3  */
 4 @Test
 5 public void testCondition() throws Exception {
 6     Lock lock = new ReentrantLock();
 7     Condition condition = lock.newCondition();
 8         
 9     // 线程0的作用是signal
10     Runnable runnable0 = new ConditionThread(lock, condition);
11     Thread thread0 = new Thread(runnable0);
12     thread0.setName("线程0");
13     // 线程1的作用是await
14     Runnable runnable1 = new ConditionThread(lock, condition);
15     Thread thread1 = new Thread(runnable1);
16     thread1.setName("线程1");
17     // 线程2的作用是lock
18     Runnable runnable2 = new ConditionThread(lock, condition);
19     Thread thread2 = new Thread(runnable2);
20     thread2.setName("线程2");
21         
22     thread1.start();
23     Thread.sleep(1000);
24     thread0.start();
25     Thread.sleep(1000);
26     thread2.start();
27         
28     thread1.join();
29 }

测试代码的意思是：

  1. 线程1先启动，获取锁，调用await()方法等待
  2. 线程0后启动，获取锁，休眠5秒准备signal()
  3. 线程2最后启动，获取锁，由于线程0未使用完毕锁，因此线程2排队，可以此时由于线程0还未signal()，因此线程1在线程0执行signal()后，在AbstractQueuedSynchronizer队列中的顺序是在线程2后面的

代码执行结果为：

 1 线程1阻塞
 2 线程0休息5秒
 3 线程2想要获取锁
 4 线程0唤醒等待线程
 5 线程2获取锁成功
 6 线程1被唤醒

符合我们的结论：signal()并不意味着被唤醒的线程立即执行。由于线程2先于线程0排队，因此看到第5行打印的内容，线程2先获取锁。

再谈AbstractQueuedSynchronizer：共享模式与基于Condition的等待/通知机制实现


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