Inside AbstractQueuedSynchronizer (2) (此版比较完整)

hh3755 2014-08-13

展开全文

原文如下链接:

Inside AbstractQueuedSynchronizer (1)

Inside AbstractQueuedSynchronizer (2)

Inside AbstractQueuedSynchronizer (3)

Inside AbstractQueuedSynchronizer (4)

3 AbstractQueuedSynchronizer

3.1 Inheritance

AbstractQueuedSynchronizer继承自AbstractOwnableSynchronizer。AbstractOwnableSynchronizer继承自Object并且实现了Serializable接口，它只有一个成员变量private transient Thread exclusiveOwnerThread以及对应的getter/setter方法。该成员变量用于保存当前拥有排他访问权的线程。需要注意的是，该成员变量没有用volatile关键字修饰。

3.2 State

AbstractQueuedSynchronizer用一个int（private volatile int state）来保存同步状态，以及对应的getter/setter/compareAndSetState方法。Java6新增了一个AbstractQueuedLongSynchronizer，它用一个long来保存同步状态，貌似目前没有被java.util.concurrent中的其它synchronizer所使用。对于ReentrantLock，state为0则意味着锁没有被任何线程持有；否则state保存了持有锁的线程的重入次数。

3.3 WaitQueue

WaitQueue是AbstractQueuedSynchronizer的核心，它用于保存被阻塞的线程。它的实现是"CLH" (Craig, Landin, and Hagersten) lock queue的一个变种。

标准的CLH lock queue通常被用来实现spin lock，它通过TheadLocal变量pred引用队列中的前一个节点（Node本身没有指向前后节点的引用），以下是标准的CLH lock queue的一个参考实现：

Java代码

public class ClhSpinLock {
private final ThreadLocal<Node> pred;
private final ThreadLocal<Node> node;
private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<Node>(new Node());
public ClhSpinLock() {
this.node = new ThreadLocal<Node>() {
protected Node initialValue() {
return new Node();
}
};
this.pred = new ThreadLocal<Node>() {
protected Node initialValue() {
return null;
}
};
}
public void lock() {
final Node node = this.node.get();
node.locked = true;
Node pred = this.tail.getAndSet(node);
this.pred.set(pred);
while (pred.locked) {}
}
public void unlock() {
final Node node = this.node.get();
node.locked = false;
this.node.set(this.pred.get());
}
private static class Node {
private volatile boolean locked;
}
}

其逻辑并不复杂：对于lock操作，只需要通过一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中，并且同时获得了predecessor节点的引用，然后就是等待predecessor释放锁；对于unlock操作，只需要将当前线程对应节点的locked成员变量设置为false。unlock方法中的this.node.set(this.pred.get())主要目的是重用predecessor上的Node对象，这是对GC友好的一个优化。如果不考虑这个优化，那么this.node.set(new Node())也是可以的。跟那些TAS（test and set） spin lock和TTAS（test test and set） spin lock相比，CLH spin lock主要是解决了cache-coherence traffic的问题：每个线程在busy loop的时候，并没有竞争同一个状态，而是只判断其对应predecessor的锁定状态。如果你担心false sharing问题，那么可以考虑将锁定状态padding到cache line的长度。此外，CLH spin lock通过FIFO的队列保证了锁竞争的公平性。

AbstractQueuedSynchronizer的静态内部类Node维护了一个FIFO的等待队列。跟CLH不同的是，Node中包含了指向predecessor和sucessor的引用。predecessor引用的作用是为了支持锁等待超时（timeout）和锁等待回退（cancellation）的功能。sucessor的作用是为了支持线程阻塞：在Inside AbstractQueuedSynchronizer (1) 中提到过，AbstractQueuedSynchronizer通过LockSupport实现了线程的block/unblock，因此需要通过successor引用找到后续的线程并将其唤醒（CLH spin lock因为是spin，所以不需要显式地唤醒）。此外，Node中还包括一个volatile int waitStatus成员变量用于控制线程的阻塞/唤醒，以及避免不必要的调用LockSupport的park/unpark方法。需要注意的是，虽然AbstractQueuedSynchronizer在绝大多数情况下是通过LockSupport进行线程的阻塞/唤醒，但是在特定情况下也会使用spin lock，static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L这个静态变量设定了使用spin lock的一个阈值。

对WaitQueue进行enqueue操作相关的代码如下：

Java代码

private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
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;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

addWaiter方法中的那个if分支，其实是一种优化，如果失败那么会调用enq方法进行enqueue。需要注意的是，以上代码中对next引用的设定是在enqueue成功之后进行的。这样做虽然没有并发问题，但是在判断一个node是否有sucessor时，不能仅仅通过next == null来判断，因为enqueue和设置next引用这两个步骤不是一个原子操作。

对WaitQueue进行dequeue操作相关的代码如下：

Java代码