Java多线程进阶—— J.U.C之locks框架：AQS共享功能剖析(4)

- 日理万妓 2023-06-21 04:57 4阅读 0赞

## 一、本文概述 ##

AQS系列的前三个章节，我们通过ReentrantLock的示例，分析了AQS的独占功能。  
本文将以`CountDownLatch`为例，分析AQS的共享功能。CountDownLatch，是J.U.C中的一个同步器类，可作为倒数计数器使用。

> CountDownLatch示例：  
> 假设现在有3个线程，ThreadA、ThreadB、mainThread，CountDownLatch初始计数为1：  
> `CountDownLatch switcher = new CountDownLatch(1);`

线程的调用时序如下：

//ThreadA调用await()方法等待
    
    //ThreadB调用await()方法等待
    
    //主线程main调用countDown()放行

## 二、AQS共享功能的原理 ##

### 1. 创建CountDownLatch ###

CountDownLatch的创建没什么特殊，调用唯一的构造器，传入一个初始计数值，内部实例化一个AQS子类：

`CountDownLatch switcher = new CountDownLatch(1);`

![clipboard.png][]

可以看到，初始计数值count其实就是同步状态值，在CountDownLatch中，同步状态State表示CountDownLatch的计数器的初始大小。

### 2. ThreadA调用await()方法等待 ###

CountDownLatch的**await**方法是响应中断的，该方法其实是调用了AQS的**acquireSharedInterruptibly**方法：

![clipboard.png][clipboard.png 1]

注意**tryAcquireShared**方法，该方法尝试获取锁，由AQS子类实现，其返回值的含义如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>State</th> 
   <th>资源的定义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>小于0</td> 
   <td>表示获取失败</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>0</td> 
   <td>表示获取成功</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>大于0</td> 
   <td>表示获取成功，且后继争用线程可能成功</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

CountDownLatch中的**tryAcquireShared**实现相当简单，当State值为0时，永远返回成功：

![clipboard.png][clipboard.png 2]

> 我们之前说了在CountDownLatch中，同步状态State表示CountDownLatch的计数器的初始值， 当`State==0`时，表示无锁状态，且一旦State变为0，就永远处于无锁状态了，此时所有线程在await上等待的线程都可以继续执行。  
> 而在ReentrantLock中， `State==0`时，虽然也表示无锁状态，但是只有一个线程可以重置State的值。这就是 **共享锁**的含义。

好了，继续向下执行，ThreadA尝试获取锁失败后，会调用**doAcquireSharedInterruptibly**：

![clipboard.png][clipboard.png 3]

首先通过**addWaiter**方法，将ThreadA包装成共享结点，插入等待队列，插入完成后队列结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 4]

然后会进入自旋操作，先尝试获取一次锁，显然此时是获取失败的（主线程main还未调用countDown，同步状态State还是1）。  
然后判断是否要进入阻塞（**shouldParkAfterFailedAcquire**）：

![clipboard.png][clipboard.png 5]

好了，至此，ThreadA进入阻塞态，最终队列结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 6]

### 3. ThreadB调用await()方法等待 ###

流程和步骤2完全相同，调用后ThreadB也被加入到等待队列中：

![clipboard.png][clipboard.png 7]

### 4. 主线程main调用countDown()放行 ###

ThreadA和ThreadB调用了`await()`方法后都在等待了，现在主线程main开始调用`countDown()`方法，该方法调用后，ThreadA和ThreadB都会被唤醒，并继续往下执行，达到类似门栓的作用。

来看下**countDown**方法的内部：

![clipboard.png][clipboard.png 8]

该方法内部调用了AQS的**releaseShared**方法，先尝试一次释放锁，**tryReleaseShared**方法是一个钩子方法，由**CountDownLatch**实现，当同步State状态值首次变为0时，会返回true：

![clipboard.png][clipboard.png 9]

![clipboard.png][clipboard.png 10]

先调用**compareAndSetWaitStatus**将头结点的等待状态置为0，表示将唤醒后续结点（ThreadA），成功后的等待队列结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 11]

然后调用**unparkSuccessor**唤醒后继结点（ThreadA被唤醒后会从原阻塞处继续往下执行，这个在步骤5再讲）：

![clipboard.png][clipboard.png 12]

此时，等待队列结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 13]

### 5. ThreadA从原阻塞处继续向下执行 ###

ThreadA被唤醒后，会从原来的阻塞处继续向下执行：  
由于是一个自旋操作，ThreadA会再次尝试获取锁，由于此时State同步状态值为0（无锁状态），所以获取成功。然后调用**setHeadAndPropagate**方法：

![clipboard.png][clipboard.png 14]

**setHeadAndPropagate**方法把ThreadA结点变为头结点，并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点：

![clipboard.png][clipboard.png 15]

①将ThreadA变成头结点

![clipboard.png][clipboard.png 16]

②调用**doReleaseShared**方法，释放并唤醒ThreadB结点

![clipboard.png][clipboard.png 10]

![clipboard.png][clipboard.png 17]

### 6. ThreadB从原阻塞处继续向下执行 ###

ThreadB被唤醒后，从原阻塞处继续向下执行，这个过程和 **步骤5（ThreadA唤醒后继续执行）**完全一样。

**setHeadAndPropagate**方法把ThreadB结点变为头结点，并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点：

![clipboard.png][clipboard.png 15]

①将ThreadB变成头结点

![clipboard.png][clipboard.png 18]

②调用**doReleaseShared**方法，释放并唤醒后继结点（此时没有后继结点了，则直接break）：

![clipboard.png][clipboard.png 10]

最终队列状态如下：

![clipboard.png][clipboard.png 19]

## 三、总结 ##

AQS的共享功能，通过钩子方法**tryAcquireShared**暴露，与独占功能最主要的区别就是：

共享功能的结点，一旦被唤醒，会向队列后部传播（Propagate）状态，以实现共享结点的连续唤醒。这也是共享的含义，当锁被释放时，所有持有该锁的共享线程都会被唤醒，并从等待队列移除。

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