并发编程——详解-AQS-CLH-锁
前言
AQS 是 JUC 中的核心,其中封装了资源的获取和释放,在我们之前的 并发编程之 AQS 源码剖析 文章中,我们已经从 ReentranLock 那里分析了锁的获取和释放。但我有必要再次解释 AQS 的核心 CLH 锁。
这里引用一下别人对于 CLH 的解释:
CLH CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks): 是一个自旋锁,能确保无饥饿性,提供先来先服务的公平性。
CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁,申请线程只在本地变量上自旋,它不断轮询前驱的状态,如果发现前驱释放了锁就结束自旋。
Java AQS 的设计对 CLH 锁进行了优化或者说变体。
我们还是从代码开始说起吧。
1. 从 acquire 方法开始 —— 获取
acquire 方法是获取锁的常用方法。代码如下:
1 | public final void acquireQueued(int arg) { |
只要子类的 tryAcquire 方法返回 false,那么就说明获取锁事变,就需要将自己加入队列。
1 | private Node addWaiter(Node mode) { |
将自己加入了尾部,并更新了 tail 节点。
1 | private Node enq(final Node node) { |
enq 方法的逻辑是什么呢?当 tail 是 null(没有初始化队列),就需要初始化队列了。CAS 设置 tail 失败,也会走这里,需要在 enq 方法中循环设置 tail。直到成功。
注意:这里会创建一个虚拟节点。
2. 为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点
为什么要创建一个虚拟节点呢?
事情要从 Node 类的 waitStatus 变量说起,简称 ws。每个节点都有一个 ws 变量,用于这个节点状态的一些标志。初始状态是 0。如果被取消了,节点就是 1,那么他就会被 AQS 清理。
还有一个重要的状态:SIGNAL —— -1,表示:当当前节点释放锁的时候,需要唤醒下一个节点。
所有,每个节点在休眠前,都需要将前置节点的 ws 设置成 SIGNAL。否则自己永远无法被唤醒。
而为什么需要这么一个 ws 呢?—— 防止重复操作。假设,当一个节点已经被释放了,而此时另一个线程不知道,再次释放。这时候就错误了。
所以,需要一个变量来保证这个节点的状态。而且修改这个节点,必须通过 CAS 操作保证线程安全。
So,回到我们之前的问题:为什么要创建一个虚拟节点呢?
每个节点都必须设置前置节点的 ws 状态为 SIGNAL,所以必须要一个前置节点,而这个前置节点,实际上就是当前持有锁的节点。
问题在于有个边界问题:第一个节点怎么办?他是没有前置节点的。
那就创建一个假的。
这就是为什么要创建一个虚拟节点的原因。
总结下来就是:每个节点都需要设置前置节点的 ws 状态(这个状态为是为了保证数据一致性),而第一个节点是没有前置节点的,所以需要创建一个虚拟节点。
回到我们的 acquireQueued 方法证实一下:
1 | // 这里返回的节点是新创建的节点,arg 是请求的数量 |
这个方法有 2 个逻辑:
- 如何将自己挂起?
- 被唤醒之后做什么?
先回答第二个问题: 被唤醒之后做什么?
尝试拿锁,成功之后,将自己设置为 head,断开和 next 的连接。
再看第二个问题:如何将自己挂起?
注意:挂起自己之前,需要将前置节点的 ws 状态设置成 SIGNAL,告诉他:你释放锁的时候记得唤醒我。
具体逻辑在 shouldParkAfterFailedAcquire 方法中:
1 | private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { |
该方法的主要逻辑就是将前置节点的状态修改成 SIGNAL。其中如果前置节点被取消了,就跳过他。
那么肯定,在前置节点释放锁的时候,肯定会唤醒这个节点。看看释放的逻辑吧。
3. reelase 方法如何释放锁
先来一波代码:
1 | public final boolean release(int arg) { |
从这个方法的判断就可以看出,head 必须不等于 0。为什么呢?当一个节点尝试挂起自己之前,都会将前置节点设置成 SIGNAL -1,就算是第一个加入队列的节点,在获取锁失败后,也会将虚拟节点设置的 ws 设置成 SIGNAL。
而这个判断也是防止多线程重复释放。
那么肯定,在释放锁之后,肯定会将 ws 状态设置成 0。防止重复操作。
代码如下:
1 | private void unparkSuccessor(Node node) { |
如果 ws 小于 0,我们假设是 SIGNAL,就修改成 0. 证实了我们的想法。
如果他的 next 是 null,说明 next 取消了,那么就从尾部开始向上寻找(不从尾部也没办法)。当然找的过程中,也跳过了失效的节点。
最后,唤醒他。
唤醒之后的逻辑是什么样子的还记得吗?
复习一下:拿锁,设置自己为 head,断开前任 head 和自己的连接。
4. 总结
AQS 使用的 CLH 锁,需要一个虚拟 head 节点,这个节点的作用是防止重复释放锁。当第一个进入队列的节点没有前置节点的时候,就会创建一个虚拟的。
来一幅图尝试解释 AQS 吧:
新增节点时
更新 tail
- 唤醒节点时,之前的 head 取消了