【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:CLH同步队列

原文出处:http://cmsblogs.com/chenssy


在上篇博客【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:AQS简介中提到了AQS内部维护着一个FIFO队列,该队列就是CLH同步队列。

CLH同步队列是一个FIFO双向队列,AQS依赖它来完成同步状态的管理,当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。

在CLH同步队列中,一个节点表示一个线程,它保存着线程的引用(thread)、状态(waitStatus)、前驱节点(prev)、后继节点(next),其定义如下:

static final class Node {
    /** 共享 */
    static final Node SHARED = new Node();

    /** 独占 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 因为超时或者中断,节点会被设置为取消状态,被取消的节点时不会参与到竞争中的,他会一直保持取消状态不会转变为其他状态;
     */
    static final int CANCELLED =  1;

    /**
     * 后继节点的线程处于等待状态,而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点,使后继节点的线程得以运行
     */
    static final int SIGNAL    = -1;

    /**
     * 节点在等待队列中,节点线程等待在Condition上,当其他线程对Condition调用了signal()后,改节点将会从等待队列中转移到同步队列中,加入到同步状态的获取中
     */
    static final int CONDITION = -2;

    /**
     * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    /** 等待状态 */
    volatile int waitStatus;

    /** 前驱节点 */
    volatile Node prev;

    /** 后继节点 */
    volatile Node next;

    /** 获取同步状态的线程 */
    volatile Thread thread;

    Node nextWaiter;

    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }

    Node() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) {
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

CLH同步队列结构图如下:

入列

学了数据结构的我们,CLH队列入列是再简单不过了,无非就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点,当前最后一个节点的next指向当前节点。代码我们可以看看addWaiter(Node node)方法:

    private Node addWaiter(Node mode) {
        //新建Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //快速尝试添加尾节点
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //CAS设置尾节点
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //多次尝试
        enq(node);
        return node;
    }

addWaiter(Node node)先通过快速尝试设置尾节点,如果失败,则调用enq(Node node)方法设置尾节点

    private Node enq(final Node node) {
        //多次尝试,直到成功为止
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //tail不存在,设置为首节点
            if (t == null) {
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                //设置为尾节点
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

在上面代码中,两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点,该方法可以确保节点是线程安全添加的。在enq(Node node)方法中,AQS通过“死循环”的方式来保证节点可以正确添加,只有成功添加后,当前线程才会从该方法返回,否则会一直执行下去。

过程图如下:

出列

CLH同步队列遵循FIFO,首节点的线程释放同步状态后,将会唤醒它的后继节点(next),而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点,这个过程非常简单,head执行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev即可,注意在这个过程是不需要使用CAS来保证的,因为只有一个线程能够成功获取到同步状态。过程图如下:

参考资料

Doug Lea:《Java并发编程实战》
方腾飞:《Java并发编程的艺术》

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