原创

Java多线程进阶(九)—— J.U.C之locks框架:AQS共享功能剖析(4)

一、本章概述

AQS系列的前三个章节,我们通过ReentrantLock的示例,分析了AQS的独占功能。
本章将以CountDownLatch为例,分析AQS的共享功能。CountDownLatch,是J.U.C中的一个同步器类,可作为倒数计数器使用,关于CountDownLatch的使用和说明,读者可以参考:
Java多线程进阶(十八)—— J.U.C之synchronizer框架:CountDownLatch

CountDownLatch示例
假设现在有3个线程,ThreadA、ThreadB、mainThread,CountDownLatch初始计数为1:
CountDownLatch switcher = new CountDownLatch(1);

线程的调用时序如下:

// ThreadA调用await()方法等待

// ThreadB调用await()方法等待

// 主线程main调用countDown()放行

二、AQS共享功能的原理

1. 创建CountDownLatch

CountDownLatch的创建没什么特殊,调用唯一的构造器,传入一个初始计数值,内部实例化一个AQS子类:

CountDownLatch switcher = new CountDownLatch(1);

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可以看到,初始计数值count其实就是同步状态值,在CountDownLatch中,同步状态State表示CountDownLatch的计数器的初始大小。

2. ThreadA调用await()方法等待

CountDownLatch的await方法是响应中断的,该方法其实是调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法:

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注意tryAcquireShared方法,该方法尝试获取锁,由AQS子类实现,其返回值的含义如下:

State 资源的定义
小于0 表示获取失败
0 表示获取成功
大于0 表示获取成功,且后继争用线程可能成功

CountDownLatch中的tryAcquireShared实现相当简单,当State值为0时,永远返回成功:

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我们之前说了在CountDownLatch中,同步状态State表示CountDownLatch的计数器的初始值,当State==0时,表示无锁状态,且一旦State变为0,就永远处于无锁状态了,此时所有线程在await上等待的线程都可以继续执行。
而在ReentrantLock中,State==0时,虽然也表示无锁状态,但是只有一个线程可以重置State的值。这就是共享锁的含义。

好了,继续向下执行,ThreadA尝试获取锁失败后,会调用doAcquireSharedInterruptibly

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首先通过addWaiter方法,将ThreadA包装成共享结点,插入等待队列,插入完成后队列结构如下:


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然后会进入自旋操作,先尝试获取一次锁,显然此时是获取失败的(主线程main还未调用countDown,同步状态State还是1)。
然后判断是否要进入阻塞(shouldParkAfterFailedAcquire):


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好了,至此,ThreadA进入阻塞态,最终队列结构如下:


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3. ThreadB调用await()方法等待

流程和步骤2完全相同,调用后ThreadB也被加入到等待队列中:


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4. 主线程main调用countDown()放行

ThreadA和ThreadB调用了await()方法后都在等待了,现在主线程main开始调用countDown()方法,该方法调用后,ThreadA和ThreadB都会被唤醒,并继续往下执行,达到类似门栓的作用。

来看下countDown方法的内部:


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该方法内部调用了AQS的releaseShared方法,先尝试一次释放锁,tryReleaseShared方法是一个钩子方法,由CountDownLatch实现,当同步State状态值首次变为0时,会返回true:

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先调用compareAndSetWaitStatus将头结点的等待状态置为0,表示将唤醒后续结点(ThreadA),成功后的等待队列结构如下:


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然后调用unparkSuccessor唤醒后继结点(ThreadA被唤醒后会从原阻塞处继续往下执行,这个在步骤5再讲):

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此时,等待队列结构如下:


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5. ThreadA从原阻塞处继续向下执行

ThreadA被唤醒后,会从原来的阻塞处继续向下执行:
由于是一个自旋操作,ThreadA会再次尝试获取锁,由于此时State同步状态值为0(无锁状态),所以获取成功。然后调用setHeadAndPropagate方法:
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setHeadAndPropagate方法把ThreadA结点变为头结点,并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点:

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①将ThreadA变成头结点


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②调用doReleaseShared方法,释放并唤醒ThreadB结点
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6. ThreadB从原阻塞处继续向下执行

ThreadB被唤醒后,从原阻塞处继续向下执行,这个过程和步骤5(ThreadA唤醒后继续执行)完全一样。

setHeadAndPropagate方法把ThreadB结点变为头结点,并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点:

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①将ThreadB变成头结点


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②调用doReleaseShared方法,释放并唤醒后继结点(此时没有后继结点了,则直接break):
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最终队列状态如下:


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三、总结

AQS的共享功能,通过钩子方法tryAcquireShared暴露,与独占功能最主要的区别就是:

共享功能的结点,一旦被唤醒,会向队列后部传播(Propagate)状态,以实现共享结点的连续唤醒。这也是共享的含义,当锁被释放时,所有持有该锁的共享线程都会被唤醒,并从等待队列移除。

正文到此结束
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