再谈AbstractQueuedSynchronizer：基于AbstractQueuedSynchronizer的并发类实现
软件设计 2017-07-03
公平模式ReentrantLock实现原理
前面的文章研究了AbstractQueuedSynchronizer的独占锁和共享锁，有了前两篇文章的基础，就可以乘胜追击，看一下基于AbstractQueuedSynchronizer的并发类是如何实现的。
ReentrantLock显然是一种独占锁，首先是公平模式的ReentrantLock，Sync是ReentractLock中的基础类，继承自AbstractQueuedSynchronizer，看一下代码实现：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
/**
* Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
* is to allow fast path for nonfair version.
*/
abstract void lock();
/**
* 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) {
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;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
protected final boolean isHeldExclusively() {
// While we must in general read state before owner,
// we don't need to do so to check if current thread is owner
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
// Methods relayed from outer class
final Thread getOwner() {
return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
final int getHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}
final boolean isLocked() {
return getState() != 0;
}
/**
* Reconstitutes this lock instance from a stream.
* @param s the stream
*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
} Sync属于一个公共类，它是抽象的说明Sync会被继承，简单整理一下Sync主要做了哪些事（因为Sync不是ReentrantLock公平锁的关键）：
- 定义了一个lock方法让子类去实现，我们平时之所以能调用ReentrantLock的lock()方法，就是因为Sync定义了它
- 实现了非公平锁tryAcquira的方法
- 实现了tryRelease方法，比较简单，状态-1，独占锁的线程置空
- 实现了isHeldExclusively方法
- 定义了newCondition方法，让开发者可以利用Condition实现通知/等待
接着，看一下公平锁的实现，FairSync类，它继承自Sync：
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
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;
}
} 整理一下要点：
- 每次acquire的时候，state+1，如果当前线程lock()之后又lock()了，state不断+1，相应的unlock()的时候state-1，直到将state减到0为之，说明当前线程释放完所有的状态，其它线程可以竞争
- state=0的时候，通过hasQueuedPredecessors方法做一次判断，hasQueuedPredecessors的实现为"h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());"，其中h是head、t是tail，由于代码中对结果取反，因此取反之后的判断为"h == t || ((s = h.next) != null && s.thread == Thread.currentThread());"，总结起来有两种情况可以通过!hasQueuedPredecessors()这个判断：
- h==t，h==t的情况为要么当前FIFO队列中没有任何数据，要么只构建出了一个head还没往后面连过任何一个Node，因此head就是tail
- (s = h.next) != null && s.thread == Thread.currentThread()，当前线程为正在等待的第一个Node中的线程
非公平模式ReentrantLock实现原理
看完了公平模式ReentrantLock，接着我们看一下非公平模式ReentrantLock是如何实现的。NonfairSync类，同样是继承自Sync类，实现为：
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
} 结合nonfairTryAcquire方法一起讲解，nonfairTryAcquire方法的实现为：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
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;
} 看到差别就在于非公平锁lock()的时候会先尝试通过CAS看看能不能把state从0变为1（即获取锁），如果可以的话，直接获取锁而不需要排队。举个实际例子就很好理解了：
- 线程1、线程2、线程3竞争锁，线程1竞争成功获取锁，线程2、线程3依次排队
- 线程1执行完毕，释放锁，state变为0，唤醒了第一个排队的线程2
- 此时线程4来尝试获取锁了，由于线程2被唤醒了，因此线程2与线程4竞争锁
- 线程4成功将state从0变为1，线程2竞争锁失败，继续park
看到整个过程中，后来的线程4反而比先来的线程2先获取锁，相当于是一种非公平的模式，
那为什么非公平锁效率会比公平锁效率高？上面第（3）步如果线程2和线程4不竞争锁就是答案。为什么这么说，后面的解释很重要，希望大家可以理解：
线程1是先将state设为0，再去唤醒线程2，这两个过程之间是有时间差的。那么如果线程1将state设置为0的时候，线程4就通过CAS算法获取到了锁，且在线程1唤醒线程2之前就已经使用完毕锁，那么相当于线程2获取锁的时间并没有推迟，在线程1将state设置为0到线程1唤醒线程2的这段时间里，反而有线程4获取了锁执行了任务，这就增加了系统的吞吐量，相当于单位时间处理了更多的任务。
从这段解释我们也应该能看出来了，非公平锁比较适合加锁时间比较短的任务。这是因为加锁时间长，相当于线程2将state设为0并去唤醒线程2的这段时间，线程4无法完成释放锁，那么线程2被唤醒由于没法获取到锁，又被阻塞了，这种唤醒-阻塞的操作会引起线程的上下文切换，继而影响系统的性能。
Semaphore实现原理
Semaphore即信号量，用于控制代码块的并发数，将Semaphore的permits设置为1相当于就是synchronized或者ReentrantLock，Semaphore具体用法可见Java多线程19：多线程下的其他组件之CountDownLatch、Semaphore、Exchanger。信号量允许多条线程获取锁，显然它的锁是一种共享锁，信号量也有公平模式与非公平模式，相信看懂了上面ReentrantLock的公平模式与非公平模式的朋友应该对Semaphore的公平模式与非公平模式理解起来会更快，这里就放在一起写了。
首先还是看一下Semaphore的基础设施，它和ReentrantLock一样，也有一个Sync：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
final int getPermits() {
return getState();
}
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current - reductions;
if (next > current) // underflow
throw new Error("Permit count underflow");
if (compareAndSetState(current, next))
return;
}
}
final int drainPermits() {
for (;;) {
int current = getState();
if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
return current;
}
}
} 和ReentrantLock的Sync差不多，Semaphore的Sync定义了以下的一些主要内容：
- getPermits方法获取当前的许可剩余量还剩多少，即还有多少线程可以同时获得信号量
- 定义了非公平信号量获取共享锁的逻辑nonfairTryAcquireShared
- 定义了公平模式释放信号量的逻辑tryReleaseShared，相当于释放一次信号量，state就向上+1（信号量每次的获取与释放都是以1为单位的）
再看下公平信号量的实现，同样的FairSync，继承自Sync，代码为：
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
} 首先第10行的hasQueuedPredecessors方法，前面已经说过了，如果已经有了FIFO队列或者当前线程不是FIFO队列中在等待的第一条线程，返回-1，表示无法获取共享锁成功。
接着获取available，available就是state，用volatile修饰，所以线程中可以看到最新的state，信号量的acquires是1，每次获取信号量都对state-1，两种情况直接返回：
- remaining减完<0
- 通过cas设置成功
之后就是和之前说过的共享锁的逻辑了，如果返回的是一个<0的数字，那么构建FIFO队列，线程阻塞，直到前面的执行完才能唤醒后面的。
接着看一下非公平信号量的实现，NonfairSync继承Sync：
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
} nonfairTryAcquireShared在父类已经实现了，再贴一下代码：
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
} 看到这里和公平Semaphore只有一点差别：不会前置进行一次hasQueuedPredecessors()判断。即当前有没有构建为一个FIFO队列，队列里面第一个等待的线程是不是自身都无所谓，对于非公平Semaphore都一样，反正线程调用Semaphore的acquire方法就将当前state-1，如果得到的remaining设置成功或者CAS操作成功就返回，这种操作没有遵循先到先得的原则，即非公平信号量。
至于非公平信号量对比公平信号量的优点，和ReentrantLock的非公平锁对比ReentrantLock的公平锁一样，就不说了。
CountDownLatch实现原理
CountDownLatch即计数器自减的一种闭锁，某线程阻塞，对一个计数器自减到0，此线程被唤醒，CountDownLatch具体用法可见Java多线程19：多线程下的其他组件之CountDownLatch、Semaphore、Exchanger。
CountDownLatch是一种共享锁，通过await()方法与countDown()两个方法实现自身的功能，首先看一下await()方法的实现：
public void await() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
} acquireSharedInterruptibly最终又回到tryAcquireShared方法上，直接贴整个Sync的代码实现：
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
Sync(int count) {
setState(count);
}
int getCount() {
return getState();
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c-1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
} 其实看到tryAcquireShared方法，理解AbstractQueuedSynchronizer共享锁原理的，不用看countDown方法应该都能猜countDown方法是如何实现的。我这里总结一下：
- 传入一个count，state就等于count，await的时候判断是不是0，是0返回1表示成功，不是0返回-1表示失败，构建FIFO队列，head头只连接一个Node，Node中的线程就是调用CountDownLatch的await()方法的线程
- 每次countDown的时候对state-1，直到state减到0的时候才算tryReleaseShared成功，tryReleaseShared成功，唤醒被挂起的线程
为了验证（2），看一下上面Sync的tryReleaseShared方法就可以了，确实是这么实现的。
