Java 中 AQS 的实现原理

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AQS 简介

AQS(全称AbstractQueuedSynchronizer)即抽象同步队列,它是实现同步器的基础组件,并发包中锁的底层就是使用AQS实现的。

在这里插入图片描述

由类图可以看到,AQS是一个FIFO的双向队列,其内部通过节点head和tail记录队首和队尾元素,队列元素的类型为Node。

  • 其中Node中的thread变量用来存放进入AQS队列里面的线程。

    • prev记录当前节点的前驱节点

    • next记录当前节点的后继节点

  • Node节点内部的SHARED用来标记该线程是获取共享资源时被阻塞挂起后放入AQS队列的。

  • EXCLUSIVE用来标记线程是获取独占资源时被挂起后放入AQS队列的。

  • waitStatus记录当前线程等待状态,可以为CANCELLED(线程被取消了)、SIGNAL(线程需要被唤醒)、CONDITION(线程在条件队列里面等待)、PROPAGATE(释放共享资源时需要通知其他节点)。

在AQS中维持了一个单一的状态信息state,可以通过getState、setState、compareAndSetState函数修改其值。对于ReentrantLock的实现来说,state可以用来表示当前线程获取锁的可重入次数。

AQS 实现原理

AQS 依赖内部的同步队列实现,也就是FIFO双向队列,负责管理着线程同步时所有被阻塞的线程。

AQS队列内部维护的是一个双向链表,这种结构每个数据都有两个指针,分别指向当前节点的前驱节点和后继节点。当线程抢占锁失败的时候,会把当前线程封装成Node加入到AQS中去。

场景一:线程抢占锁失败时,AQS 的变化

1.AQS 的 head,tail分别是同步队列的头节点和尾节点,默认为 null。 在这里插入图片描述

2.当第一个线程抢夺锁失败,同步队列会先初始化,随后线程会被封装成Node节点追加到AQS队列中。假设当前独占锁的线程为ThreadA,抢占锁失败的线程为ThreadB。

  • 同步队列初始化,首先会在队列中添加一个空Node,这个节点中的thread=null,代表当前获取锁成功的线程。随后,AQS的head和tail会同时指向这个节点。 在这里插入图片描述
  • 接下来将ThreadB封装成Node节点,追加到AQS队列。设置新节点的prev指向AQS队尾节点;将队尾节点的next指向新节点;最后将AQS尾节点指针指向新节点。此时AQS变化,如下图: 在这里插入图片描述

3.当下一个线程抢夺锁失败时,重复上面步骤。将线程封装成Node,追加到AQS队列。假设此次抢占锁失败的线程为ThreadC,此时AQS变化,如下图: 在这里插入图片描述

线程被唤醒时,AQS 队列的变化

ReentrantLock 唤醒阻塞线程时,会按照FIFO的原则从AQShead头部开始唤醒首个节点中线程。

head节点表示当前获取锁成功的线程ThreadA节点。

当ThreadA释放锁时,它会唤醒后继节点线程ThreadB,ThreadB开始尝试获得锁,如果ThreadB获得锁成功,会将自己设置为AQS的头节点。ThreadB获取锁成功后,AQS变化如下:

  1. head指针指向ThreadB节点。

  2. 将原来头节点的next指向Null,从AQS中删除。

  3. 将ThreadB节点的prev指向Null,设置节点的thread=null。 在这里插入图片描述 上面就是线程在竞争锁时,线程被阻塞和被唤醒时AQS 队列的基本实现过程。