深入理解AbstractQueuedSynchronizer(三)
来源:互联网 发布:闭关锁国知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 16:55
前两篇文章中分析了AQS的独占功能和共享功能,AQS中还实现了Condition的功能。本文将通过ReentrantLock来分析在AQS中Condition的实现。
Condition介绍
Condition是在JDK1.5中才出现的,它可以替代传统的Object中的wait()、notify()和notifyAll()方法来实现线程间的通信,使线程间协作更加安全和高效。
Condition是一个接口,它的定义如下:
public interface Condition { void await() throws InterruptedException; void awaitUninterruptibly(); long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; void signal(); void signalAll();}
常用的方法是await()、signal()和signalAll(),Condition与Object类中的方法对应如下:
既然功能都一样,问什么还需要使用Condition呢?简单来说,Condition需要和Lock一起使用,在不使用Lock时,使用关键字synchronized
时的代码如下:
synchronized(obj){ obj.wait();}synchronized(obj){ obj.notify();}
使用Lock时的代码如下:
lock.lock(); condition.await(); lock.unlock();lock.lock(); condition.signal(); lock.unlock();
从代码上可以看出,使用synchronized
关键字时,所有没有获取锁的线程都会等待,这时相当于只有1个等待队列;而在实际应用中可能有时需要多个等待队列,比如ReadLock和WriteLock。Lock中的等待队列和Condition中的等待队列是分开的,例如在独占模式下,Lock的独占保证了在同一时刻只会有一个线程访问临界区,也就是lock()方法返回后,Condition中的等待队列保存着被阻塞的线程,也就是调用await()方法后阻塞的线程。所以使用lock比使用synchronized
关键字更加灵活。
Condition的使用
在Condition接口的javadoc中,有一个很好的例子来使用Condition,代码如下:
class BoundedBuffer { final Lock lock = new ReentrantLock(); final Condition notFull = lock.newCondition(); final Condition notEmpty = lock.newCondition(); final Object[] items = new Object[100]; int putptr, takeptr, count; public void put(Object x) throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == items.length) notFull.await(); items[putptr] = x; if (++putptr == items.length) putptr = 0; ++count; notEmpty.signal(); } finally { lock.unlock(); } } public Object take() throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); Object x = items[takeptr]; if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; --count; notFull.signal(); return x; } finally { lock.unlock(); } }}
代码很简单,定义了一个数组items,put用于向items中添加数据,take用于从items中取出数据,count代表当前items中存放了多少个对象,putptr表示下一个需要添加的索引,takeptr表示下一个需要取出的索引,这样就实现了数组的循环添加和取出数据的功能。put和take的具体功能如下:
put
- 当count与items的长度相同时,表示数组已满,则调用
notFull.await()
来等待同时释放了当前线程的锁; - 当线程被唤醒时,将x添加到putptr索引的位置;
- 如果当前putptr的位置是最后一个,则下一个索引的位置从0开始;
- 调用
notEmpty.signal();
通知其他线程可以从数组中取出数据了。
- 当count与items的长度相同时,表示数组已满,则调用
take
- 当count为0时,表示数组是空的,则调用
notEmpty.await()
来等待同时释放了当前线程的锁; - 当线程被唤醒时,将x添加到takeptr索引的位置;
- 如果当前takeptr的位置是最后一个,则下一个索引的位置从0开始;
- 调用
notFull.signal();
通知其他线程可以向数组中添加数据了。
- 当count为0时,表示数组是空的,则调用
AQS中Condition的实现
本文还是通过ReentrantLock来分析。
Condition必须被绑定到一个独占锁上使用,在ReentrantLock中,有一个newCondition方法,该方法调用了Sync中的newCondition方法,看下Sync中newCondition的实现:
final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject();}
ConditionObject是在AQS中定义的,它实现了Condition接口,自然也就实现了上述的Condition接口中的方法。该类有两个重要的变量:
/** First node of condition queue. */private transient Node firstWaiter;/** Last node of condition queue. */private transient Node lastWaiter;
这里的firstWaiter和lastWaiter是不是和之前说过的head和tail有些类似,而且都是Node类型的。对于Condition来说,它是不与独占模式或共享模式使用相同的队列的,它有自己的队列,所以这两个变量表示了队列的头节点和尾节点。
await方法
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 根据当前线程创建一个Node添加到Condition队列中 Node node = addConditionWaiter(); // 释放当前线程的lock,从AQS的队列中移出 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; // 循环判断当前线程的Node是否在Sync队列中,如果不在,则park while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); // checkInterruptWhileWaiting方法根据中断发生的时机返回后续需要处理这次中断的方式,如果发生中断,退出循环 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } // acquireQueued获取锁并返回线程是否中断 // 如果线程被中断,并且中断的方式不是抛出异常,则设置中断后续的处理方式设置为REINTERRUPT if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; // 从头到尾遍历Condition队列,移除被cancel的节点 if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); // 如果线程已经被中断,则根据之前获取的interruptMode的值来判断是继续中断还是抛出异常 if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode);}
await方法首先根据当前线程创建了一个Node,然后释放当前线程的独占锁。这里的savedState表示当前线程已经加锁的次数(ReentrantLock为重入锁)。while循环其实就是一直判断,当前的线程是否又被添加到了Sync队列中,如果已经在Sync队列中,则退出循环。
什么时候会把当前线程又加入到Sync队列中呢?当然是调用signal方法的时候,因为这里需要唤醒之前调用await方法的线程。
这里还需要注意的是,如果在park的状态下,这时线程中断了,park方法会返回,然后判断后续对此次中断的处理方式:抛出InterruptedException或者继续中断。
addConditionWaiter方法
private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; // If lastWaiter is cancelled, clean out. if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node;}
该方法将根据当前线程创建一个Node并添加到Condition队列中。如果尾节点被取消,调用unlinkCancelledWaiters方法删除Condition队列中被cancel的节点。然后将lastWaiter的nextWaiter设置为node,并将node设置为lastWaiter。
fullyRelease方法
final int fullyRelease(Node node) { boolean failed = true; try { int savedState = getState(); if (release(savedState)) { failed = false; return savedState; } else { throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { if (failed) node.waitStatus = Node.CANCELLED; }}
之前介绍过ReentrantLock的release方法,该方法在unlock方法中被调用:
public void unlock() { sync.release(1);}
在unlock时传入的参数是1,因为是可重入的原因,只有在state为0的时候才会真的释放锁,所以在fullyRelease方法中,需要将之前加入的锁的次数全部释放,目的是将该线程从Sync队列中移出。
isOnSyncQueue方法
final boolean isOnSyncQueue(Node node) { if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false; if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue return true; /* * node.prev can be non-null, but not yet on queue because * the CAS to place it on queue can fail. So we have to * traverse from tail to make sure it actually made it. It * will always be near the tail in calls to this method, and * unless the CAS failed (which is unlikely), it will be * there, so we hardly ever traverse much. */ return findNodeFromTail(node);}
该方法判断当前线程的node是否在Sync队列中。
- 如果当前线程node的状态是CONDITION或者node.prev为null时说明已经在Condition队列中了,所以返回false;
- 如果node.next不为null,说明在Sync队列中,返回true;
- 如果两个if都未返回时,可以断定node的prev一定不为null,next一定为null,这个时候可以认为node正处于放入Sync队列的执行CAS操作执行过程中。而这个CAS操作有可能失败,所以通过findNodeFromTail再尝试一次判断。
findNodeFromTail方法
private boolean findNodeFromTail(Node node) { Node t = tail; for (;;) { if (t == node) return true; if (t == null) return false; t = t.prev; }}
该方法就是从Sync队列尾部开始判断,因为在isOnSyncQueue方法调用该方法时,node.prev一定不为null。但这时的node可能还没有完全添加到Sync队列中(因为node.next是null),这时可能是在自旋中。记得之前说过的enq方法吗,signal的时候会调用这个方法:
private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; // 执行findNodeFromTail方法时可能一直在此自旋 if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } }}
所以,这时如果CAS还未成功,那只好返回false了,
checkInterruptWhileWaiting方法
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) { return Thread.interrupted() ? (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0;}
如果当前线程被中断,则调用transferAfterCancelledWait方法判断后续的处理应该是抛出InterruptedException还是重新中断。
transferAfterCancelledWait方法
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) { if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) { enq(node); return true; } /* * If we lost out to a signal(), then we can't proceed * until it finishes its enq(). Cancelling during an * incomplete transfer is both rare and transient, so just * spin. */ while (!isOnSyncQueue(node)) Thread.yield(); return false;}
该方法是判断,在线程中断的时候,是否这时有signal方法的调用。
- 如果
compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)
执行成功,则说明中断发生时,没有signal的调用,因为signal方法会将状态设置为0; - 如果第1步执行成功,则将node添加到Sync队列中,并返回true,表示中断在signal之前;
- 如果第1步失败,则检查当前线程的node是否已经在Sync队列中了,如果不在Sync队列中,则让步给其他线程执行,直到当前的node已经被signal方法添加到Sync队列中;
- 返回false。
这里需要注意的地方是,如果第一次CAS失败了,则不能判断当前线程是先进行了中断还是先进行了signal方法的调用,可能是先执行了signal然后中断,也可能是先执行了中断,后执行了signal,当然,这两个操作肯定是发生在CAS之前。这时需要做的就是等待当前线程的node被添加到Sync队列后,也就是enq方法返回后,返回false告诉checkInterruptWhileWaiting方法返回REINTERRUPT,后续进行重新中断。
简单来说,该方法的返回值代表当前线程是否在park的时候被中断唤醒,如果为true表示中断在signal调用之前,signal还未执行,否则表示signal已经执行过了。
根据await的语义,在await时遇到中断要抛出InterruptedException,返回true则使上层方法checkInterruptWhileWaiting返回THROW_IE,否则返回REINTERRUPT。
unlinkCancelledWaiters方法
private void unlinkCancelledWaiters() { Node t = firstWaiter; Node trail = null; while (t != null) { Node next = t.nextWaiter; if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { t.nextWaiter = null; if (trail == null) firstWaiter = next; else trail.nextWaiter = next; if (next == null) lastWaiter = trail; } else trail = t; t = next; }}
该方法就是从头到尾遍历Condition队列,移除状态为非CONDITION的节点。因为在执行该方法时已经获取了独占锁,所以不需考虑多线程问题。
reportInterruptAfterWait方法
如果当前线程被中断,则在await方法中调用reportInterruptAfterWait方法:
private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException { if (interruptMode == THROW_IE) throw new InterruptedException(); else if (interruptMode == REINTERRUPT) selfInterrupt();}
该方法根据interruptMode来确定是应该抛出InterruptedException还是继续中断。
awaitNanos方法
public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter(); int savedState = fullyRelease(node); final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout; int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) { if (nanosTimeout <= 0L) { transferAfterCancelledWait(node); break; } if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold) LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; nanosTimeout = deadline - System.nanoTime(); } if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); return deadline - System.nanoTime();}
该方法进行超时控制,功能与await类似,不同在于该方法中每次park是有时间限制的,对于spinForTimeoutThreshold在深入理解AbstractQueuedSynchronizer(二)中的超时控制的await方法方法已经说明。
signal方法
public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first);}
在该方法中判断当前线程是否占有独占锁,然后通过firstWaiter依次唤醒Condition队列中的node,并把node添加到Sync队列中。
在await方法中可以知道添加到Condition队列中的node每次都是添加到队列的尾部,在signal方法中是从头开始唤醒的,所以Condition是公平的,signal是按顺序来进行唤醒的。
doSignal方法
private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);}
doSignal方法先将队列前面节点依次从队列中取出,然后调用transferForSignal方法去唤醒节点,这个方法有可能失败,因为等待线程可能已经到时或者被中断,因此while循环这个操作直到成功唤醒或队列为空。
transferForSignal方法
final boolean transferForSignal(Node node) { /* * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled. */ if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; /* * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong). */ Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true;}
该方法首先尝试设置node的状态为0:
- 如果设置失败,说明已经被取消,没必要再进入Sync队列了,doSignal中的循环会找到一个node再次执行;
- 如果设置成功,但之后又被取消了呢?无所谓,虽然会进入到Sync队列,但在获取锁的时候会调用shouldParkAfterFailedAcquire方法,该方法中会移除此节点。
如果执行成功,则将node加入到Sync队列中,enq会返回node的前继节点p。这里的if判断只有在p节点是取消状态或者设置p节点的状态为SIGNAL失败的时候才会执行unpark。
什么时候compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)会执行失败呢?如果p节点的线程在这时执行了unlock方法,就会调用unparkSuccessor方法,unparkSuccessor方法可能就将p的状态改为了0,那么执行就会失败。
到这里,signal方法已经完成了所有的工作,唤醒的线程已经成功加入Sync队列并已经参与锁的竞争了,返回true。
signalAll方法
public final void signalAll() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignalAll(first);}
还是判断当前线程是否占有独占锁,然后执行doSignalAll方法。
doSignalAll方法
private void doSignalAll(Node first) { lastWaiter = firstWaiter = null; do { Node next = first.nextWaiter; first.nextWaiter = null; transferForSignal(first); first = next; } while (first != null);}
可以与doSignal方法比较一下,doSignal方法只是唤醒了一个node并加入到Sync队列中,而doSignalAll方法唤醒了所有的Condition节点,并加入到Sync队列中。
总结
ConditionObject是AQS的内部类,它实现了Condition接口,提供了类似wait、notify和notifyAll类似的功能。
Condition必须与一个独占锁绑定使用,在await或signal之前必须现持有独占锁。Condition队列是一个单向链表,他是公平的,按照先进先出的顺序从队列中被唤醒并添加到Sync队列中,这时便恢复了参与竞争锁的资格。
Condition队列与Sync队列是不同的,Condition队列是单向的,队列的第一个节点firstWaiter中是可以绑定线程的;而Sync队列是双向的,队列的第一个节点head是不与线程进行绑定的。
Condition在设计时就充分考虑了Object中的监视器方法的缺陷,设计为一个lock可以对应多个Condition,从而可以使线程分散到多个等待队列中,使得应用更为灵活,并且在实现上使用了FIFO队列来保存等待线程,确保了可以做到使用signal按FIFO方式唤醒等待线程,避免每次唤醒所有线程导致数据竞争。
但这样也会导致Condition在使用上要比Object中的提供的监视器方法更为复杂,这时考虑使用Condition的数量、何时使用Condition以及使用哪个condition等等。由于Condition是结合Lock一起使用的,所以是否使用Condition需要和Lock一起进行综合的考虑。
博客链接:http://www.ideabuffer.cn/2017/03/20/深入理解AbstractQueuedSynchronizer(三)/
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