Java并发包源码学习之AQS框架(二)CLH lock queue和自旋锁

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上一篇文章提到AQS是基于CLH lock queue,那么什么是CLH lock queue,说复杂很复杂说简单也简单, 所谓大道至简:

CLH lock queue其实就是一个FIFO的队列,队列中的每个结点(线程)只要等待其前继释放锁就可以了。

AbstractQueuedSynchronizer是通过一个内部类Node来实现CLH lock queue的一个变种,但基本原理是类似的。

在介绍Node类之前,我们来介绍下Spin Lock,通常就是用CLH lock queue来实现自旋锁,所谓自旋锁简单来说就是线程通过循环来等待而不是睡眠。 Talk 再多不如 show code:

class ClhSpinLock {
	private final ThreadLocal<Node> prev;
	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.prev = new ThreadLocal<Node>() {
			protected Node initialValue() {
				return null;
			}
		};
	}

	public void lock() {
		final Node node = this.node.get();
		node.locked = true;
		// 一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中,
		// 并且同时获得了前继节点的引用,然后就是等待前继释放锁
		Node pred = this.tail.getAndSet(node);
		this.prev.set(pred);
		while (pred.locked) {// 进入自旋
		}
	}

	public void unlock() {
		final Node node = this.node.get();
		node.locked = false;
		this.node.set(this.prev.get());
	}

	private static class Node {
		private volatile boolean locked;
	}
}

上面的代码中线程巧妙的通过ThreadLocal保存了当前结点和前继结点的引用,自旋就是lock中的while循环。 总的来说这种实现的好处是保证所有等待线程的公平竞争,而且没有竞争同一个变量,因为每个线程只要等待自己的前继释放就好了。 而自旋的好处是线程不需要睡眠和唤醒,减小了系统调用的开销。

public static void main(String[] args) {
    final ClhSpinLock lock = new ClhSpinLock();
    lock.lock();

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " acquired the lock!");
                lock.unlock();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(100);
    }

    System.out.println("main thread unlock!");
    lock.unlock();
} 

上面代码的运行的结果应该跟上一篇文章中的完全一样。

ClhSpinLock的Node类实现很简单只有一个布尔值,AbstractQueuedSynchronizer$Node的实现复杂点,大概是这样的:

     +------+  prev +-----+       +-----+
head |      | <---- |     | <---- |     |  tail
     +------+       +-----+       +-----+
  • head:头指针
  • tail:尾指针
  • prev:指向前继的指针
  • next:这个指针图中没有画出来,它跟prev相反,指向后继

关键不同就是next指针,这是因为AQS中线程不是一直在自旋的,而可能会反复的睡眠和唤醒,这就需要前继释放锁的时候通过next 指针找到其后继将其唤醒,也就是AQS的等待队列中后继是被前继唤醒的。AQS结合了自旋和睡眠/唤醒两种方法的优点。

其中线程的睡眠和唤醒就是用到我下一篇文章将要讲到的LockSupport

最后提一点,上面的ClhSpinLock类中还有一个关键的点就是lock方法中注释的地方:

一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中,并获取到其前继。

实际上可以说整个AQS框架都是建立在CAS的基础上的,这些原子操作是多线程竞争的核心地带,AQS中很多绕来绕去的代码都是为了 减少竞争。我会在后面AbstractQueuedSynchronizer源码分析中做详细介绍。