Java并发之同步器设计

计算机中通过设计同步器来协调进程(线程)之间执行顺序。同步器作用就像登机安检人员一样可以协调旅客按顺序通过。

在Java中，同步器可以理解为一个对象，它根据自身状态协调线程的执行顺序。比如锁（Lock），信号量（Semaphore），屏障（CyclicBarrier），阻塞队列（Blocking Queue）。

这些同步器在功能设计上有所不同，但是内部实现上有共通的地方。

同步器

同步器的设计一般包含几个方面：状态变量设计（同步器内部状态），访问条件设定，状态更新，等待方式，通知策略。

访问条件是控制线程是否能执行（访问共享对象）的条件，它往往与状态变量紧密相关。而通知策略是线程释放锁定状态后通知其它等待线程的方式，一般有以下几种情况

•  通知所有等待的线程。
•  通知1个随机的N个等待线程。
•  通知1个特定的N个等待线程

看下面例子，通过锁方式的同步器 

public class Lock{  
  // 状态变量 isLocked  
  private boolean isLocked = false;  
  public synchronized void lock() throws InterruptedException{  
    // 访问条件 当isLocked=false 时获得访问权限否则等待  
    while(isLocked){  
      // 阻塞等待  
      wait();  
    }  
    //状态更新 线程获得访问权限  
    isLocked = true;  
  }  
  public synchronized void unlock(){  
    //状态更新 线程释放访问权限  
    isLocked = false;  
    // 通知策略 object.notify | object.notifyAll  
    notify();   
  }  
} 

我们用计数信号量控制同时执行操作活动数。这里模拟一个连接池。 

public class PoolSemaphore {  
      // 状态变量 actives 计数器  
    private int actives = 0;  
    private int max;  
    public PoolSemaphore(int max) {  
        this.max = max;  
    }  
    public synchronized void acquire() throws InterruptedException {  
        //访问条件 激活数小于最大限制时，获得访问权限否则等待  
        while (this.actives == max) wait();  
        //状态更新 线程获得访问权限  
        this.actives++;  
        // 通知策略 object.notify | object.notifyAll  
        this.notify();  
    }  
    public synchronized void release() throws InterruptedException {  
        //访问条件 激活数不为0时，获得访问权限否则等待  
        while (this.actives == 0) wait();  
         //状态更新 线程获得访问权限  
        this.actives--;  
        // 通知策略 object.notify | object.notifyAll  
        this.notify();  
    }  
} 

原子指令

同步器设计里面，最重要的操作逻辑是“如果满足条件，以更新状态变量来标志线程获得或释放访问权限”，该操作应具备原子性。

比如test-and-set 计算机原子指令，意思是进行条件判断满足则设置新值。 

function Lock(boolean *lock) {   
    while (test_and_set(lock) == 1);   
} 

另外还有很多原子指令 fetch-and-add compare-and-swap，注意这些指令需硬件支持才有效。

同步操作中，利用计算机原子指令，可以避开锁，提升效率。java中没有 test-and-set 的支持，不过 java.util.concurrent.atomic 给我们提供了很多原子类API，里面支持了 getAndSet 和compareAndSet 操作。

看下面例子，主要在区别是等待方式不一样，上面是通过wait()阻塞等待，下面是无阻塞循环。 

public class Lock{  
  // 状态变量 isLocked  
  private AtomicBoolean isLocked = new AtomicBoolean(false);  
  public void lock() throws InterruptedException{  
    // 等待方式 变为自旋等待  
    while(!isLocked.compareAndSet(false, true));  
    //状态更新 线程获得访问权限  
    isLocked.set(true);  
  }  
  public synchronized void unlock(){  
    //状态更新 线程释放访问权限  
    isLocked.set(false);  
  }  
} 

关于阻塞扩展说明

阻塞意味着需要将进程或线程状态进行转存，以便还原后恢复执行。这种操作是昂贵繁重，而线程基于进程之上相对比较轻量。线程的阻塞在不同编程平台实现方式也有所不同，像Java是基于JVM运行，所以它由JVM完成实现。

在《Java Concurrency in Practice》中，作者提到

竞争性同步可能需要OS活动，这增加了成本。当争用锁时，未获取锁的线程必须阻塞。 JVM可以通过旋转等待（反复尝试获取锁直到成功）来实现阻塞，也可以通过操作系统挂起阻塞的线程来实现阻塞。哪种效率更高取决于上下文切换开销与锁定可用之前的时间之间的关系。对于短暂的等待，最好使用自旋等待；对于长时间的等待，最好使用暂停。一些JVM基于对过去等待时间的分析数据来自适应地在这两者之间进行选择，但是大多数JVM只是挂起线程等待锁定。

从上面可以看出JVM实现阻塞两种方式

•  旋转等待（spin-waiting），简单理解是不暂停执行，以循环的方式等待，适合短时间场景。
•  通过操作系统挂起线程。

JVM中通过 -XX: +UseSpinning 开启旋转等待， -XX: PreBlockSpi =10指定最大旋转次数。

AQS

AQS是AbstractQueuedSynchronizer简称。本节对AQS只做简单阐述，并不全面。

java.util.concurrent包中的 ReentrantLock，CountDownLatch，Semaphore，CyclicBarrier等都是基于是AQS同步器实现。

状态变量 是用 int state 来表示，状态的获取与更新通过以下API操作。     

int getState()  
    void setState(int newState)  
    boolean compareAndSetState(int expect, int update) 

该状态值在不同API中有不同表示意义。比如ReentrantLock中表示持有锁的线程获取锁的次数，Semaphore表示剩余许可数。

关于等待方式和通知策略的设计

AQS通过维护一个FIFO同步队列（Sync queue）来进行同步管理。当多线程争用共享资源时被阻塞入队。而线程阻塞与唤醒是通过 LockSupport.park/unpark API实现。

它定义了两种资源共享方式。

•  Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）
•  Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）

每个节点包含waitStatus（节点状态），prev（前继），next（后继），thread（入队时线程），nextWaiter（condition队列的后继节点）

waitStatus 有以下取值。

•  CANCELLED(1) 表示线程已取消。当发生超时或中断，节点状态变为取消，之后状态不再改变。
•  SIGNAL(-1) 表示后继节点等待前继的唤醒。后继节点入队时，会将前继状态更新为SIGNAL。
•  CONDITION(-2) 表示线程在Condition queue 里面等待。当其他线程调用了Condition.signal()方法后，CONDITION状态的节点将从 Condition queue 转移到 Sync queue，等待获取锁。
•  PROPAGATE(-3) 在共享模式下，当前节点释放后，确保有效通知后继节点。
•  (0) 节点加入队列时的默认状态。

AQS 几个关键 API

•  tryAcquire(int) 独占方式下，尝试去获取资源。成功返回true，否则false。
•  tryRelease(int) 独占方式下，尝试释放资源，成功返回true，否则false。
•  tryAcquireShared(int) 共享方式下，尝试获取资源。返回负数为失败，零和正数为成功并表示剩余资源。
•  tryReleaseShared(int) 共享方式下，尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待节点返回true，否则false。
•  isHeldExclusively() 判断线程是否正在独占资源。

acquire(int arg)   

public final void acquire(int arg) {  
        if (  
          // 尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回  
          !tryAcquire(arg)  
            &&  
            //线程阻塞在同步队列等待获取资源。等待过程中被中断，则返回true，否则false  
            acquireQueued(  
              // 标记该线程为独占方式，并加入同步队列尾部。  
              addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)   
           )  
            selfInterrupt();  
    } 

release(int arg)   

public final boolean release(int arg) {  
         // 尝试释放资源  
       if (tryRelease(arg)) {  
           Node h = head;  
           if (h != null && h.waitStatus != 0)  
             // 唤醒下一个线程（后继节点）  
             unparkSuccessor(h);  
           return true;  
       }  
       return false;  
   }  

private void unparkSuccessor(Node node) {  
        ....  
              Node s = node.next; // 找到后继节点  
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {//无后继或节点已取消  
            s = null;  
           // 找到有效的等待节点   
            for (Node t = tail; t != null && t != node; tt = t.prev)  
                if (t.waitStatus <= 0)  
                    s = t;  
        }  
        if (s != null)  
            LockSupport.unpark(s.thread); // 唤醒 
    } 

总结

本文记录并发编程中同步器设计的一些共性特征。并简单介绍了Java中的AQS。