正文

在并發(fā)多線程的情況下，為了保證數(shù)據(jù)安全性，一般我們會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，通常使用Synchronized或者ReentrantLock同步鎖。Synchronized是基于JVM實(shí)現(xiàn)，而ReentrantLock是基于Java代碼層面實(shí)現(xiàn)的，底層是繼承的AQS。

AQS全稱 AbstractQueuedSynchronizer ，即抽象隊(duì)列同步器，是一種用來(lái)構(gòu)建鎖和同步器的框架。

我們常見(jiàn)的并發(fā)鎖ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS實(shí)現(xiàn)的，所以說(shuō)不懂AQS實(shí)現(xiàn)原理的，就不能說(shuō)了解Java鎖。

當(dāng)我仔細(xì)研究AQS底層加鎖原理，發(fā)現(xiàn)竟然跟Synchronized加鎖原理有驚人的相似。讓我突然想到一句名言，記不清怎么說(shuō)了，意思是框架底層原理很相似，大家多學(xué)習(xí)底層原理。

Synchronized的加鎖流程在前幾篇文章已經(jīng)詳細(xì)講過(guò)，沒(méi)看過(guò)一塊再溫習(xí)一下。

1. Synchronized加鎖流程

我們先想一下Synchronized的加鎖需求，如果讓你設(shè)計(jì)Synchronized的對(duì)象鎖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，該怎么設(shè)計(jì)？

• 多個(gè)線程執(zhí)行到Synchronized代碼塊，只有一個(gè)線程獲取鎖，然后執(zhí)行同步代碼塊（需要記錄哪個(gè)線程獲取了對(duì)象鎖）。
• 其他線程被阻塞（被阻塞的線程，是不是可以用鏈表設(shè)計(jì)個(gè)阻塞隊(duì)列？）
• 持有鎖的線程調(diào)用wait方法，釋放鎖，等待被喚醒（等待的線程，是不是可以用鏈表設(shè)計(jì)個(gè)等待隊(duì)列？）。
• 被阻塞的線程開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)鎖
• 調(diào)用notify方法，喚醒等待的線程，被喚醒的線程進(jìn)入阻塞隊(duì)列，一塊競(jìng)爭(zhēng)鎖。

上面描述了Synchronized的加鎖流程，Synchronized的對(duì)象鎖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是不是跟咱們想的一樣？實(shí)際就是的。

下面是對(duì)象鎖的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（由C++實(shí)現(xiàn)）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 持有鎖的線程
    _WaitSet      = NULL; // 等待隊(duì)列，存儲(chǔ)處于wait狀態(tài)的線程
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 阻塞隊(duì)列，存儲(chǔ)處于等待鎖block狀態(tài)的線程
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

上圖展示了對(duì)象鎖的基本工作機(jī)制：

• 當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList隊(duì)列中阻塞。
• 當(dāng)某個(gè)線程獲取到對(duì)象的對(duì)象鎖后進(jìn)入臨界區(qū)域，并把對(duì)象鎖中的 _owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程，即獲得對(duì)象鎖。
• 若持有對(duì)象鎖的線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的對(duì)象鎖，_owner變量恢復(fù)為null，同時(shí)該線程進(jìn)入 _WaitSet 集合中等待被喚醒。
• 在_WaitSet集合中的線程被喚醒，會(huì)被再次放到_EntryList隊(duì)列中，重新競(jìng)爭(zhēng)獲取鎖。
• 若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放對(duì)象鎖并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取鎖。

Synchronized對(duì)象鎖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和加鎖流程，竟然跟咱們想的一樣。

再看一下ReentrantLock的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和加鎖流程，有沒(méi)有相似的地方。

2. AQS加鎖原理

先分析一下，我們使用AQS的加鎖需求：

• 多個(gè)線程執(zhí)行到ReentrantLock.lock方法的時(shí)候，只有一個(gè)線程獲取鎖，然后執(zhí)行同步代碼塊（需要記錄哪個(gè)線程獲取了對(duì)象鎖）。
• 其他線程被阻塞（被阻塞的線程，是不是可以用鏈表設(shè)計(jì)個(gè)阻塞隊(duì)列？名叫”同步隊(duì)列“？）
• 持有鎖的線程調(diào)用await方法，釋放鎖，等待被喚醒（等待的線程，是不是可以用鏈表設(shè)計(jì)個(gè)等待隊(duì)列？名叫”條件隊(duì)列“？）。
• 被阻塞的線程開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)鎖
• 調(diào)用signal方法，喚醒等待的線程，被喚醒的線程進(jìn)入阻塞隊(duì)列，一塊競(jìng)爭(zhēng)鎖。

AQS的需求跟Synchronized一模一樣。

我們?cè)倏匆幌?strong>AQS實(shí)際的加鎖機(jī)制是怎么設(shè)計(jì)的？是不是跟Synchronized相似？

AQS的加鎖流程并不復(fù)雜，只要理解了同步隊(duì)列和條件隊(duì)列，以及它們之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，就算徹底理解了AQS。

• 當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)AQS鎖時(shí)，如果有個(gè)線程獲取到鎖，就把ower線程設(shè)置為自己
• 沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)到鎖的線程，在同步隊(duì)列中阻塞（同步隊(duì)列采用雙向連接，尾插法）。
• 持有鎖的線程調(diào)用await方法，釋放鎖，追加到條件隊(duì)列的末尾（條件隊(duì)列采用單鏈條，尾插法）。
• 持有鎖的線程調(diào)用signal方法，喚醒條件隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列的末尾。
• 同步隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)優(yōu)先獲取到鎖

可以看到AQS和Synchronized的加鎖流程幾乎是一模一樣的，AQS中同步隊(duì)列就是Synchronized中EntryList，AQS中條件隊(duì)列就是Synchronized中的waitSet，兩個(gè)隊(duì)列之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移流程也是一樣的。

3. 總結(jié)

AQS跟Synchronized的加鎖流程是一樣的，都是通過(guò)同步隊(duì)列和條件隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的，阻塞狀態(tài)的線程被放到同步隊(duì)列中，等待狀態(tài)的線程被放到條件隊(duì)列中，從條件隊(duì)列喚醒的線程又被轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列末尾，一塊競(jìng)爭(zhēng)鎖。

看完AQS加鎖流程，還沒(méi)有人不懂AQS的？

下篇文章再講一下AQS加鎖具體的源碼實(shí)現(xiàn)。里面有很多精巧的設(shè)計(jì)，值得我們學(xué)習(xí)。

比如：

為什么同步隊(duì)列要設(shè)計(jì)成雙向鏈表？而條件隊(duì)列要設(shè)計(jì)成單鏈表？

為什么AQS加鎖性能這么好（樂(lè)觀鎖CAS使用）？

同步隊(duì)列和條件隊(duì)列中節(jié)點(diǎn)怎么用一個(gè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)？

釋放鎖后，怎么喚醒同步隊(duì)列中線程？

以上就是AQS加鎖機(jī)制Synchronized相似點(diǎn)詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于AQS加鎖機(jī)制Synchronized的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！