概述node
前文「JDK源碼分析-AbstractQueuedSynchronizer(1)」初步分析了 AQS,其中提到了 Node 節點的「獨佔模式」和「共享模式」,其實 AQS 也主要是圍繞對這兩種模式的操做進行的。app
Node 節點是對線程 Thread 類的封裝,所以兩種模式能夠理解以下:源碼分析
獨佔模式(exclusive):線程對資源的訪問是排他的,即某個時間只能一個線程單獨訪問資源;flex
共享模式(shared):與獨佔模式不一樣,多個線程能夠同時訪問資源。ui
本文先分析獨佔模式下的各類操做,後面再分析共享模式。this
獨佔模式atom
方法概述url
獨佔模式下的操做主要有如下幾個方法(可與前面分析的 Lock 接口的方法類比):spa
1. acquire(int arg)線程
以獨佔模式獲取資源,忽略中斷;能夠類比 Lock 接口的 lock 方法;
2. acquireInterruptibly(int arg)
以獨佔模式獲取資源,響應中斷;能夠類比 Lock 接口的 lockInterruptibly 方法;
3. tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
以獨佔模式獲取資源,響應中斷,且有超時等待;能夠類比 Lock 接口的 tryLock(long, TimeUnit) 方法;
4. release(int arg)
釋放資源,能夠類比 Lock 接口的 unlock 方法。
方法分析
1. 獨佔模式獲取資源(忽略中斷)
這幾種獲取資源的方法不少地方是相似的。咱們先從 acquire 方法開始分析,以下:
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
該方法看似很短,實際上是內部作了封裝。這幾行代碼包含了以下四個操做步驟:
1. tryAcquire
2. addWaiter(Node.EXECUSIVE)
3. acquireQueued(final Node node, arg))
4. selfInterrupt
上面的四個步驟不必定所有執行,下面依次進行分析。
step 1: tryAcquire
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
該方法的做用是嘗試以獨佔模式獲取資源,若成功則返回 true。
能夠看到該方法是一個 protected 方法,並且 AQS 中該方法直接拋出了異常,實際上是它把實現委託給了子類。這也是 ReentrantLock、CountdownLatch 等類(嚴格來講是其內部類 Sync)的實現功能不一樣的地方,這些類正是經過對該方法的不一樣實現來制定了本身的「遊戲規則」。
若 step 1 中的 tryAcquire 方法返回 true,則表示當前線程獲取資源成功,方法直接返回,該線程接下來就能夠「隨心所欲」了;不然表示獲取失敗,接下來會依次執行 step 2 和 step 3。
step 2: addWaiter(Node.EXECUSIVE)
private Node addWaiter(Node mode) {
// 將當前線程封裝爲一個 Node 節點,指定 mode
// PS: 獨佔模式 Node.EXECUSIVE, 共享模式 Node.SHARED
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq> Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 經過 CAS 操做設置主隊列的尾節點
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 尾節點 tail 爲 null,表示主隊列未初始化
enq(node);
return node;
}
enq 方法:
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 尾節點爲空,代表當前隊列未初始化
if (t == null) { // Must initialize
// 將隊列的頭尾節點都設置爲一個新的節點
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 將 node 節點插入主隊列末尾
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
能夠看到 addWaiter(Node.EXECUSIVE) 方法的做用是:把當前線程封裝成一個獨佔模式的 Node 節點,並插入到主隊列末尾(若主隊列未初始化,則將其初始化後再插入)。
step 3: acquireQueued(final Node node, arg))
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 中斷標誌位
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 獲取該節點的前驅節點
final Node p = node.predecessor();
// 若前驅節點爲頭節點,則嘗試獲取資源
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 若獲取成功,則將該節點設置爲頭節點並返回
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 若上面條件不知足,即前驅節點不是頭節點,或嘗試獲取失敗
// 判斷當前線程是否能夠休眠
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
若當前節點的前驅節點爲頭節點,則會再次嘗試獲取資源(tryAcuqire),若獲取成功,則將當前節點設置爲頭節點並返回;不然,若前驅節點不是頭節點,或者獲取資源失敗,則執行以下兩個方法:
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 前驅節點的等待狀態
int ws = pred.waitStatus;
// 若前驅節點的等待狀態爲 SIGNAL,返回 true,表示當前線程能夠休眠
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
// 若前驅節點的狀態大於 0,表示前驅節點處於取消(CANCELLED)狀態
// 則將前驅節點跳過(至關於踢出隊列)
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
// 此時 waitStatus 只能爲 0 或 PROPAGATE 狀態,將前驅節點的等着狀態設置爲 SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
該方法的流程:
1. 若前驅節點的等待狀態爲 SIGNAL,返回 true,表示當前線程能夠休眠(park);
2. 若前驅節點是取消狀態 (ws > 0),則將其清理出隊列,以此類推;
3. 若前驅節點爲 0 或 PROPAGATE,則將其設置爲 SIGNAL 狀態。
正如其名,該方法(shouldParkAfterFailedAcquire)的做用就是判斷當前線程在獲取資源失敗後,是否能夠休眠(park)。
parkAndCheckInterrupt:
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 將當前線程休眠
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
該方法的做用:
1. 使當前線程休眠(park);
2. 返回該線程是否被中斷(其餘線程對其發過中斷信號)。
上面就是 acquireQueued(final Node node, arg)) 方法的執行過程,爲了便於理解,可參考下面的流程圖:
若此期間被其餘線程中斷過,則此時再去執行 selfInterrupt 方法去響應中斷請求:
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
以上就是 acquire 方法執行的總體流程。
2. 以獨佔模式獲取資源(響應中斷)
該操做其實與前面的過程相似,所以分析相對簡單些,代碼以下:
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException
// 若線程被中斷過,則拋出異常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 嘗試獲取資源
if (!tryAcquire(arg))
// 嘗試獲取資源失敗
doAcquireInterruptibly(arg);
}
tryAcquire 與前面的操做同樣,若嘗試獲取資源成功則直接返回;不然,執行 doAcquireInterruptibly:
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException
// 將當前線程封裝成 Node 節點插入主隊列末尾
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 拋出中斷異常
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
經過與前面的 acquire 方法對比能夠發現,兩者代碼幾乎同樣,區別在於 acquire 方法檢測到中斷(parkAndCheckInterrupt)時只是記錄了標誌位,並未響應;而此處直接拋出了異常。這也是兩者僅有的區別,此處再也不詳細分析。
3. 以獨佔模式獲取資源(響應中斷,且有超時)
該操做與前者也是相似的,代碼以下:
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException
// 若被中斷,則響應
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
doAcquireNanos:
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
// 若超時時間小於等於 0,直接獲取失敗
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
// 計算截止時間
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
// 已經超時了,獲取失敗
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
// 若大於自旋時間,則線程休眠;不然自旋
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
// 若被中斷,則響應
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
這裏有個變量 spinForTimeoutThreshold,表示自旋時間,若大於該值則將線程休眠,不然繼續自旋。我的理解這裏增長該時間是爲了提升效率,即,只有在等待時間較長的時候才讓線程休眠。
該方法與 acquireInterruptibly 也是相似的,在前者的基礎上增長了 timeout,再也不詳細分析。
4. 釋放資源
前面分析了三種獲取資源的方式,天然也有釋放資源。下面分析釋放資源的 release 操做:
public final boolean release(int arg) {
// 嘗試釋放資源,若成功則返回 true
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 若頭節點不爲空,且等待狀態不爲 0(此時爲 SIGNAL)
// 則喚醒其後繼節點
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
與 tryAcquire 方法相似,tryRelease 方法在 AQS 中也是拋出異常,一樣交由子類實現:
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
unparkSuccessor 的主要做用是喚醒 node 的後繼節點,代碼以下:
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
// 後繼節點
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
// 若後繼節點是取消狀態,則從尾節點向前遍歷,找到 node 節點後面一個未取消狀態的節點
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 喚醒node節點的後繼節點
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
若 node 節點的後繼節點是取消狀態(ws > 0),則從主隊列中取其後面一個非取消狀態的線程喚醒。
前面三個獲取資源的方法中,finally 代碼塊中都用到了 cancelAcquire 方法,都是獲取失敗時的操做,這裏也分析一下:
private void cancelAcquire(Node node) {
// Ignore if node doesn't exist
if (node == null)
return;
node.thread = null;
// Skip cancelled predecessors
// 跳過取消狀態的前驅節點
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
// fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
// or signal, so no further action is necessary.
// 前驅節點的後繼節點引用
Node predNext = pred.next;
// Can use unconditional write instead of CAS here.
// After this atomic step, other Nodes can skip past us.
// Before, we are free of interference from other threads.
// 將當前節點設置爲取消狀態
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// If we are the tail, remove ourselves.
// 若該節點爲尾節點(後面沒其餘節點了),將 predNext 指向 null
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
int ws; if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
// 前驅節點爲頭節點,代表當前節點爲第一個,取消時喚醒它的下一個節點
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
該方法的主要操做:
1. 將 node 節點設置爲取消(CANCELLED)狀態;
2. 找到它在隊列中非取消狀態的前驅節點 pred:
2.1 若 node 節點是尾節點,則前驅節點的後繼設爲空,
2.2 若 pred 不是頭節點,且狀態爲 SIGNAL,則後繼節點設爲 node 的後繼節點;
2.3 若 pred 是頭節點,則喚醒 node 的後繼節點。
PS: 該過程能夠跟雙鏈表刪除一個節點的過程進行對比分析。
小結
本文分析了以獨佔模式獲取資源的三種方式,以及釋放資源的操做。分別爲:
1. acquire: 獨佔模式獲取資源,忽略中斷;
2. acquireInterruptibly: 獨佔模式獲取資源,響應中斷;
3. tryAcquireNanos: 獨佔模式獲取資源,響應中斷,有超時;
4. release: 釋放資源,喚醒主隊列中的下一個線程。
這幾個方法均可以類比 Lock 接口的相關方法定義。
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