Java并发系列之AbstractQueuedSynchronizer源码分析(条件队列)
通过前面三篇的分析,我们深入了解了AbstractQueuedSynchronizer的内部结构和一些设计理念,知道了AbstractQueuedSynchronizer内部维护了一个同步状态和两个排队区,这两个排队区分别是同步队列和条件队列。我们还是拿公共厕所做比喻,同步队列是主要的排队区,如果公共厕所没开放,所有想要进入厕所的人都得在这里排队。而条件队列主要是为条件等待设置的,我们想象一下如果一个人通过排队终于成功获取锁进入了厕所,但在方便之前发现自己没带手纸,碰到这种情况虽然很无奈,但是它也必须接受这个事实,这时它只好乖乖的出去先准备好手纸(进入条件队列等待),当然在出去之前还得把锁给释放了好让其他人能够进来,在准备好了手纸(条件满足)之后它又得重新回到同步队列中去排队。当然进入房间的人并不都是因为没带手纸,可能还有其他一些原因必须中断操作先去条件队列中去排队,所以条件队列可以有多个,依不同的等待条件而设置不同的条件队列。条件队列是一条单向链表,Condition接口定义了条件队列中的所有操作,AbstractQueuedSynchronizer内部的ConditionObject类实现了Condition接口,下面我们看看Condition接口都定义了哪些操作。
publicinterfaceCondition{ //响应线程中断的条件等待 voidawait()throwsInterruptedException; //不响应线程中断的条件等待 voidawaitUninterruptibly(); //设置相对时间的条件等待(不进行自旋) longawaitNanos(longnanosTimeout)throwsInterruptedException; //设置相对时间的条件等待(进行自旋) booleanawait(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException; //设置绝对时间的条件等待 booleanawaitUntil(Datedeadline)throwsInterruptedException; //唤醒条件队列中的头结点 voidsignal(); //唤醒条件队列的所有结点 voidsignalAll(); }
Condition接口虽然定义了这么多方法,但总共就分为两类,以await开头的是线程进入条件队列等待的方法,以signal开头的是将条件队列中的线程“唤醒”的方法。这里要注意的是,调用signal方法可能唤醒线程也可能不会唤醒线程,什么时候会唤醒线程这得看情况,后面会讲到,但是调用signal方法一定会将线程从条件队列中移到同步队列尾部。这里为了叙述方便,我们先暂时不纠结这么多,统一称signal方法为唤醒条件队列线程的操作。大家注意看一下,await方法分为5种,分别是响应线程中断等待,不响应线程中断等待,设置相对时间不自旋等待,设置相对时间自旋等待,设置绝对时间等待;signal方法只有2种,分别是只唤醒条件队列头结点和唤醒条件队列所有结点的操作。同一类的方法基本上是相通的,由于篇幅所限,我们不可能也不需要将这些方法全部仔细的讲到,只需要将一个代表方法搞懂了再看其他方法就能够触类旁通。所以在本文中我只会细讲await方法和signal方法,其他方法不细讲但会贴出源码来以供大家参考。
1.响应线程中断的条件等待
//响应线程中断的条件等待 publicfinalvoidawait()throwsInterruptedException{ //如果线程被中断则抛出异常 if(Thread.interrupted()){ thrownewInterruptedException(); } //将当前线程添加到条件队列尾部 Nodenode=addConditionWaiter(); //在进入条件等待之前先完全释放锁 intsavedState=fullyRelease(node); intinterruptMode=0; //线程一直在while循环里进行条件等待 while(!isOnSyncQueue(node)){ //进行条件等待的线程都在这里被挂起,线程被唤醒的情况有以下几种: //1.同步队列的前继结点已取消 //2.设置同步队列的前继结点的状态为SIGNAL失败 //3.前继结点释放锁后唤醒当前结点 LockSupport.park(this); //当前线程醒来后立马检查是否被中断,如果是则代表结点取消条件等待,此时需要将结点移出条件队列 if((interruptMode=checkInterruptWhileWaiting(node))!=0){ break; } } //线程醒来后就会以独占模式获取锁 if(acquireQueued(node,savedState)&&interruptMode!=THROW_IE){ interruptMode=REINTERRUPT; } //这步操作主要为防止线程在signal之前中断而导致没与条件队列断绝联系 if(node.nextWaiter!=null){ unlinkCancelledWaiters(); } //根据中断模式进行响应的中断处理 if(interruptMode!=0){ reportInterruptAfterWait(interruptMode); } }
当线程调用await方法的时候,首先会将当前线程包装成node结点放入条件队列尾部。在addConditionWaiter方法中,如果发现条件队列尾结点已取消就会调用unlinkCancelledWaiters方法将条件队列所有的已取消结点清空。这步操作是插入结点的准备工作,那么确保了尾结点的状态也是CONDITION之后,就会新建一个node结点将当前线程包装起来然后放入条件队列尾部。注意,这个过程只是将结点添加到同步队列尾部而没有挂起线程哦。
第二步:完全将锁释放
//完全释放锁 finalintfullyRelease(Nodenode){ booleanfailed=true; try{ //获取当前的同步状态 intsavedState=getState(); //使用当前的同步状态去释放锁 if(release(savedState)){ failed=false; //如果释放锁成功就返回当前同步状态 returnsavedState; }else{ //如果释放锁失败就抛出运行时异常 thrownewIllegalMonitorStateException(); } }finally{ //保证没有成功释放锁就将该结点设置为取消状态 if(failed){ node.waitStatus=Node.CANCELLED; } } }
将当前线程包装成结点添加到条件队列尾部后,紧接着就调用fullyRelease方法释放锁。注意,方法名为fullyRelease也就这步操作会完全的释放锁,因为锁是可重入的,所以在进行条件等待前需要将锁全部释放了,不然的话别人就获取不了锁了。如果释放锁失败的话就会抛出一个运行时异常,如果成功释放了锁的话就返回之前的同步状态。
第三步:进行条件等待
//线程一直在while循环里进行条件等待 while(!isOnSyncQueue(node)){ //进行条件等待的线程都在这里被挂起,线程被唤醒的情况有以下几种: //1.同步队列的前继结点已取消 //2.设置同步队列的前继结点的状态为SIGNAL失败 //3.前继结点释放锁后唤醒当前结点 LockSupport.park(this); //当前线程醒来后立马检查是否被中断,如果是则代表结点取消条件等待,此时需要将结点移出条件队列 if((interruptMode=checkInterruptWhileWaiting(node))!=0){ break; } } //检查条件等待时的线程中断情况 privateintcheckInterruptWhileWaiting(Nodenode){ //中断请求在signal操作之前:THROW_IE //中断请求在signal操作之后:REINTERRUPT //期间没有收到任何中断请求:0 returnThread.interrupted()?(transferAfterCancelledWait(node)?THROW_IE:REINTERRUPT):0; } //将取消条件等待的结点从条件队列转移到同步队列中 finalbooleantransferAfterCancelledWait(Nodenode){ //如果这步CAS操作成功的话就表明中断发生在signal方法之前 if(compareAndSetWaitStatus(node,Node.CONDITION,0)){ //状态修改成功后就将该结点放入同步队列尾部 enq(node); returntrue; } //到这里表明CAS操作失败,说明中断发生在signal方法之后 while(!isOnSyncQueue(node)){ //如果sinal方法还没有将结点转移到同步队列,就通过自旋等待一下 Thread.yield(); } returnfalse; }
在以上两个操作完成了之后就会进入while循环,可以看到while循环里面首先调用LockSupport.park(this)将线程挂起了,所以线程就会一直在这里阻塞。在调用signal方法后仅仅只是将结点从条件队列转移到同步队列中去,至于会不会唤醒线程需要看情况。如果转移结点时发现同步队列中的前继结点已取消,或者是更新前继结点的状态为SIGNAL失败,这两种情况都会立即唤醒线程,否则的话在signal方法结束时就不会去唤醒已在同步队列中的线程,而是等到它的前继结点来唤醒。当然,线程阻塞在这里除了可以调用signal方法唤醒之外,线程还可以响应中断,如果线程在这里收到中断请求就会继续往下执行。可以看到线程醒来后会马上检查是否是由于中断唤醒的还是通过signal方法唤醒的,如果是因为中断唤醒的同样会将这个结点转移到同步队列中去,只不过是通过调用transferAfterCancelledWait方法来实现的。最后执行完这一步之后就会返回中断情况并跳出while循环。
第四步:结点移出条件队列后的操作
//线程醒来后就会以独占模式获取锁 if(acquireQueued(node,savedState)&&interruptMode!=THROW_IE){ interruptMode=REINTERRUPT; } //这步操作主要为防止线程在signal之前中断而导致没与条件队列断绝联系 if(node.nextWaiter!=null){ unlinkCancelledWaiters(); } //根据中断模式进行响应的中断处理 if(interruptMode!=0){ reportInterruptAfterWait(interruptMode); } //结束条件等待后根据中断情况做出相应处理 privatevoidreportInterruptAfterWait(intinterruptMode)throwsInterruptedException{ //如果中断模式是THROW_IE就抛出异常 if(interruptMode==THROW_IE){ thrownewInterruptedException(); //如果中断模式是REINTERRUPT就自己挂起 }elseif(interruptMode==REINTERRUPT){ selfInterrupt(); } }
当线程终止了while循环也就是条件等待后,就会回到同步队列中。不管是因为调用signal方法回去的还是因为线程中断导致的,结点最终都会在同步队列中。这时就会调用acquireQueued方法执行在同步队列中获取锁的操作,这个方法我们在独占模式这一篇已经详细的讲过。也就是说,结点从条件队列出来后又是乖乖的走独占模式下获取锁的那一套,等这个结点再次获得锁之后,就会调用reportInterruptAfterWait方法来根据这期间的中断情况做出相应的响应。如果中断发生在signal方法之前,interruptMode就为THROW_IE,再次获得锁后就抛出异常;如果中断发生在signal方法之后,interruptMode就为REINTERRUPT,再次获得锁后就重新中断。
2.不响应线程中断的条件等待
//不响应线程中断的条件等待 publicfinalvoidawaitUninterruptibly(){ //将当前线程添加到条件队列尾部 Nodenode=addConditionWaiter(); //完全释放锁并返回当前同步状态 intsavedState=fullyRelease(node); booleaninterrupted=false; //结点一直在while循环里进行条件等待 while(!isOnSyncQueue(node)){ //条件队列中所有的线程都在这里被挂起 LockSupport.park(this); //线程醒来发现中断并不会马上去响应 if(Thread.interrupted()){ interrupted=true; } } if(acquireQueued(node,savedState)||interrupted){ //在这里响应所有中断请求,满足以下两个条件之一就会将自己挂起 //1.线程在条件等待时收到中断请求 //2.线程在acquireQueued方法里收到中断请求 selfInterrupt(); } }
3.设置相对时间的条件等待(不进行自旋)
//设置定时条件等待(相对时间),不进行自旋等待 publicfinallongawaitNanos(longnanosTimeout)throwsInterruptedException{ //如果线程被中断则抛出异常 if(Thread.interrupted()){ thrownewInterruptedException(); } //将当前线程添加到条件队列尾部 Nodenode=addConditionWaiter(); //在进入条件等待之前先完全释放锁 intsavedState=fullyRelease(node); longlastTime=System.nanoTime(); intinterruptMode=0; while(!isOnSyncQueue(node)){ //判断超时时间是否用完了 if(nanosTimeout<=0L){ //如果已超时就需要执行取消条件等待操作 transferAfterCancelledWait(node); break; } //将当前线程挂起一段时间,线程在这期间可能被唤醒,也可能自己醒来 LockSupport.parkNanos(this,nanosTimeout); //线程醒来后先检查中断信息 if((interruptMode=checkInterruptWhileWaiting(node))!=0){ break; } longnow=System.nanoTime(); //超时时间每次减去条件等待的时间 nanosTimeout-=now-lastTime; lastTime=now; } //线程醒来后就会以独占模式获取锁 if(acquireQueued(node,savedState)&&interruptMode!=THROW_IE){ interruptMode=REINTERRUPT; } //由于transferAfterCancelledWait方法没有把nextWaiter置空,所有这里要再清理一遍 if(node.nextWaiter!=null){ unlinkCancelledWaiters(); } //根据中断模式进行响应的中断处理 if(interruptMode!=0){ reportInterruptAfterWait(interruptMode); } //返回剩余时间 returnnanosTimeout-(System.nanoTime()-lastTime); }
4.设置相对时间的条件等待(进行自旋)
//设置定时条件等待(相对时间),进行自旋等待 publicfinalbooleanawait(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException{ if(unit==null){thrownewNullPointerException();} //获取超时时间的毫秒数 longnanosTimeout=unit.toNanos(time); //如果线程被中断则抛出异常 if(Thread.interrupted()){thrownewInterruptedException();} //将当前线程添加条件队列尾部 Nodenode=addConditionWaiter(); //在进入条件等待之前先完全释放锁 intsavedState=fullyRelease(node); //获取当前时间的毫秒数 longlastTime=System.nanoTime(); booleantimedout=false; intinterruptMode=0; while(!isOnSyncQueue(node)){ //如果超时就需要执行取消条件等待操作 if(nanosTimeout<=0L){ timedout=transferAfterCancelledWait(node); break; } //如果超时时间大于自旋时间,就将线程挂起一段时间 if(nanosTimeout>=spinForTimeoutThreshold){ LockSupport.parkNanos(this,nanosTimeout); } //线程醒来后先检查中断信息 if((interruptMode=checkInterruptWhileWaiting(node))!=0){ break; } longnow=System.nanoTime(); //超时时间每次减去条件等待的时间 nanosTimeout-=now-lastTime; lastTime=now; } //线程醒来后就会以独占模式获取锁 if(acquireQueued(node,savedState)&&interruptMode!=THROW_IE){ interruptMode=REINTERRUPT; } //由于transferAfterCancelledWait方法没有把nextWaiter置空,所有这里要再清理一遍 if(node.nextWaiter!=null){ unlinkCancelledWaiters(); } //根据中断模式进行响应的中断处理 if(interruptMode!=0){ reportInterruptAfterWait(interruptMode); } //返回是否超时标志 return!timedout; }
5.设置绝对时间的条件等待
//设置定时条件等待(绝对时间) publicfinalbooleanawaitUntil(Datedeadline)throwsInterruptedException{ if(deadline==null){thrownewNullPointerException();} //获取绝对时间的毫秒数 longabstime=deadline.getTime(); //如果线程被中断则抛出异常 if(Thread.interrupted()){thrownewInterruptedException();} //将当前线程添加到条件队列尾部 Nodenode=addConditionWaiter(); //在进入条件等待之前先完全释放锁 intsavedState=fullyRelease(node); booleantimedout=false; intinterruptMode=0; while(!isOnSyncQueue(node)){ //如果超时就需要执行取消条件等待操作 if(System.currentTimeMillis()>abstime){ timedout=transferAfterCancelledWait(node); break; } //将线程挂起一段时间,期间线程可能被唤醒,也可能到了点自己醒来 LockSupport.parkUntil(this,abstime); //线程醒来后先检查中断信息 if((interruptMode=checkInterruptWhileWaiting(node))!=0){ break; } } //线程醒来后就会以独占模式获取锁 if(acquireQueued(node,savedState)&&interruptMode!=THROW_IE){ interruptMode=REINTERRUPT; } //由于transferAfterCancelledWait方法没有把nextWaiter置空,所有这里要再清理一遍 if(node.nextWaiter!=null){ unlinkCancelledWaiters(); } //根据中断模式进行响应的中断处理 if(interruptMode!=0){ reportInterruptAfterWait(interruptMode); } //返回是否超时标志 return!timedout; }
6.唤醒条件队列中的头结点
//唤醒条件队列中的下一个结点 publicfinalvoidsignal(){ //判断当前线程是否持有锁 if(!isHeldExclusively()){ thrownewIllegalMonitorStateException(); } Nodefirst=firstWaiter; //如果条件队列中有排队者 if(first!=null){ //唤醒条件队列中的头结点 doSignal(first); } } //唤醒条件队列中的头结点 privatevoiddoSignal(Nodefirst){ do{ //1.将firstWaiter引用向后移动一位 if((firstWaiter=first.nextWaiter)==null){ lastWaiter=null; } //2.将头结点的后继结点引用置空 first.nextWaiter=null; //3.将头结点转移到同步队列,转移完成后有可能唤醒线程 //4.如果transferForSignal操作失败就去唤醒下一个结点 }while(!transferForSignal(first)&&(first=firstWaiter)!=null); } //将指定结点从条件队列转移到同步队列中 finalbooleantransferForSignal(Nodenode){ //将等待状态从CONDITION设置为0 if(!compareAndSetWaitStatus(node,Node.CONDITION,0)){ //如果更新状态的操作失败就直接返回false //可能是transferAfterCancelledWait方法先将状态改变了,导致这步CAS操作失败 returnfalse; } //将该结点添加到同步队列尾部 Nodep=enq(node); intws=p.waitStatus; if(ws>0||!compareAndSetWaitStatus(p,ws,Node.SIGNAL)){ //出现以下情况就会唤醒当前线程 //1.前继结点是取消状态 //2.更新前继结点的状态为SIGNAL操作失败 LockSupport.unpark(node.thread); } returntrue; }
可以看到signal方法最终的核心就是去调用transferForSignal方法,在transferForSignal方法中首先会用CAS操作将结点的状态从CONDITION设置为0,然后再调用enq方法将该结点添加到同步队列尾部。我们再看到接下来的if判断语句,这个判断语句主要是用来判断什么时候会去唤醒线程,出现这两种情况就会立即唤醒线程,一种是当发现前继结点的状态是取消状态时,还有一种是更新前继结点的状态失败时。这两种情况都会马上去唤醒线程,否则的话就仅仅只是将结点从条件队列中转移到同步队列中就完了,而不会立马去唤醒结点中的线程。signalAll方法也大致类似,只不过它是去循环遍历条件队列中的所有结点,并将它们转移到同步队列,转移结点的方法也还是调用transferForSignal方法。
7.唤醒条件队列的所有结点
//唤醒条件队列后面的全部结点 publicfinalvoidsignalAll(){ //判断当前线程是否持有锁 if(!isHeldExclusively()){ thrownewIllegalMonitorStateException(); } //获取条件队列头结点 Nodefirst=firstWaiter; if(first!=null){ //唤醒条件队列的所有结点 doSignalAll(first); } } //唤醒条件队列的所有结点 privatevoiddoSignalAll(Nodefirst){ //先把头结点和尾结点的引用置空 lastWaiter=firstWaiter=null; do{ //先获取后继结点的引用 Nodenext=first.nextWaiter; //把即将转移的结点的后继引用置空 first.nextWaiter=null; //将结点从条件队列转移到同步队列 transferForSignal(first); //将引用指向下一个结点 first=next; }while(first!=null); }
至此,我们整个的AbstractQueuedSynchronizer源码分析就结束了,相信通过这四篇的分析,大家能更好的掌握并理解AQS。这个类确实很重要,因为它是其他很多同步类的基石,由于笔者水平和表达能力有限,如果哪些地方没有表述清楚的,或者理解不到位的,还请广大读者们能够及时指正,共同探讨学习。可在下方留言阅读中所遇到的问题,如果有需要AQS注释源码的也可联系笔者索取。
注:以上全部分析基于JDK1.7,不同版本间会有差异,读者需要注意。
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持毛票票。