10张图详解管程内部,进去看看

开发 后端
MESA管程模型封装了共享变量和对共享变量的操作,线程要进入管程内部,必须获取到锁,如果获取锁失败就进入入口等待队列阻塞等待。

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java对共享变量的操作管理使用了MESA管程模型。下图是Java基于AQS实现的MESA管程模型:

上图中有三个知识点:

  • MESA管程模型封装了共享变量和对共享变量的操作,线程要进入管程内部,必须获取到锁,如果获取锁失败就进入入口等待队列阻塞等待。
  • 如果线程获取到锁,就进入到管程内部。但是进入到管程内部,也不一定能立刻操作共享变量,而是要看条件变量是否满足,如果不满足,只能进入条件变量等待队列阻塞等待。
  • 在条件变量等待队列中,如果被其他线程唤醒,也不一定能立刻操作共享变量,而是需要去入口等待队列重新排队等待获取锁。

本文主要讲解管程模型中条件变量等待队列。

1 官方示例

首先我们看一下官方给出的示例代码:

  1. public class BoundedBuffer { 
  2.     final Lock lock = new ReentrantLock(); 
  3.     final Condition notFull  = lock.newCondition(); 
  4.     final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 
  5.     final Object[] items = new Object[100]; 
  6.     int putptr, takeptr, count
  7.  
  8.     public void put(Object x) throws InterruptedException { 
  9.         lock.lock(); 
  10.         try { 
  11.             while (count == items.length) 
  12.                 notFull.await(); 
  13.             items[putptr] = x; 
  14.             if (++putptr == items.length) putptr = 0; 
  15.             ++count
  16.             notEmpty.signal(); 
  17.         } finally { 
  18.             lock.unlock(); 
  19.         } 
  20.     } 
  21.  
  22.     public Object take() throws InterruptedException { 
  23.         lock.lock(); 
  24.         try { 
  25.             while (count == 0) 
  26.                 notEmpty.await(); 
  27.             Object x = items[takeptr]; 
  28.             if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; 
  29.             --count; 
  30.             notFull.signal(); 
  31.             return x; 
  32.         } finally { 
  33.             lock.unlock(); 
  34.         } 
  35.     } 

这个代码定义了两个条件变量,notFull和notEmpty,说明如下:

  • 如果items数组已经满了,则notFull变量不满足,线程需要进入notFull条件等待队列进行等待。当take方法取走一个数组元素时,notFull条件满足了,唤醒notFull条件等待队列中等待线程。
  • 如果items数组为空,则notEmpty变量不满足,线程需要进入notEmpty条件等待队列进行等待。当put方法加入一个数组元素时,notEmpty条件满足了,唤醒notEmpty条件等待队列中等待线程。
  • 条件变量是绑定在Lock上的,示例代码使用了ReentrantLock。在执行await和signal方法时首先要获取到锁。

2 原理简介

Java AQS的条件变量等待队列是基于接口Condition和ConditionObject来实现的,URM类图如下:

Condition接口主要定义了下面3个方法:

  • await:进入条件等待队列
  • signal:唤醒条件等待队列中的元素
  • signalAll:唤醒条件等待队列中的所有元素

3 await

条件等待队列跟入口等待队列有两个不同:

  • 虽然二者共用了Node类,但是条件等待队列是单向队列,入口等待队列是双向队列,条件队列中下一个节点的引用是nextWaiter,入口等待队列中下一个节点的引用是next。
  • 条件等待队列中元素的waitStatus必须是-2。

await方法的流程如下图:

3.1 进入条件等待队列

入队方法对应方法addConditionWaiter,这里有三种情况:

  • 队列为空,则新建一个节点,如下图:

  • 队列非空,最后一个元素的waitStatus是-2,如下图:

  • 队列非空,最后一个元素的waitStatus不是-2,如下图:

可以看到,这种情况会从队列第一个元素开始检查waitStatus不是-2的元素,并从队列中移除。

3.2 释放锁

AQS的并发锁是基于state变量实现的,线程进入条件等待队列后,要释放锁,即state会变为0,释放操作会唤醒入口等待队列中的线程。对应方法fullyRelease,返回值是释放锁减掉的state值savedState。

3.3 阻塞等待

释放锁后,线程阻塞,自旋等待被唤醒。

3.4 唤醒之后

唤醒之后,当前线程主要有四个动作:

  • 转入入口等待队列,并把waitStatus改为0。

waitStatus等于0表示中间状态,当前节点后面的节点已经唤醒,但是当前节点线程还没有执行完成。

  • 重新获取锁,如果获取成功,则当前线程成为入口等待队列头结点,interruptMode置为1。
  • 如果当前节点在条件等待队列中有后继节点,则剔除条件等待队列中waitStatus!=-2的节点,即队列中状态为取消的节点。
  • interruptMode如果不等于0,则处理中断。

3.5 一个细节

上面提到了interruptMode,这个属性有三个值:

  • 0:没有被中断
  • -1:中断后抛出InterruptedException,这种情况是当前线程阻塞,没有被signal之前发生了中断
  • 1:重新进入中断状态,这种情况是指当前线程阻塞,被signal之后发生了中断

3.6 扩展

AQS还提供了其他几个await方法,如下:

  • awaitUninterruptibly:不用处理中断。
  • awaitNanos:自旋等待唤醒过程中有超时时间限制,超时则转入入口等待队列。
  • awaitUntil:自旋等待唤醒过程中有截止时间,时间到则转入入口等待队列。

4 signal

唤醒条件等待队列中的元素,首先判断当前线程是否持有独占锁,如果没有,抛出异常。

唤醒条件队列中的元素,会从第一个元素也就是firstWaiter开始,根据firstWaiter的waitStatus是不是-2,分两种情况。

4.1 waitStatus==-2

条件队列第一个节点进入入口等待队列,等待获取锁,如下图:

这里有两个注意点:

  • 如果入口等待队列中tail节点的waitStatus小于等于0,则firstWaiter加入后需要把旧tail节点置为-1(表示后面节点等待当前节点唤醒),如下图:

如果重置waitStatus状态失败,则unpark节点firstWaiter。

  • 如果入口等待队列中tail节点的waitStatus大于0,则unpark节点firstWaiter。

4.2 waitStatus!=-2

如果firstWaiter的waitStatus不等于-2,则查找firstWaiter的nextWaiter,直到找到一个waitStatus等于-2的节点,然后将这个节点加入入口等待队列队尾,如下图:

4.3 waitStatus修改

上面的两种情况无论哪种,进入入口等待队列之前都要用CAS的方式把waitStatus改为0。

5 signalAll

理解了signal的逻辑,signalAll的逻辑就非常容易理解了。首先判断当前线程是否持有独占锁,如果没有,抛出异常。

将条件等待队列中的所有节点依次加入入口等待队列。如下图:

6 使用案例

6.1 示例代码

java并发包下有很多类使用到了AQS中的Condition,如下图:

这里我们以CyclicBarrier为例来讲解。CyclicBarrier是让一组线程相互等待共同达到一个屏障点。从Cyclic可以看出Barrier可以循环利用,也就是当线程释放之后可以继续使用。

看下面这段示例代码:

  1. public static void main(String[] args) { 
  2.     CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2, () -> { 
  3.         System.out.println("栅栏中的线程执行完成"); 
  4.     }); 
  5.     ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2); 
  6.  
  7.     executorService.submit(() -> { 
  8.         try { 
  9.             System.out.println("线程1:" + Thread.currentThread().getName()); 
  10.             cyclicBarrier.await(); 
  11.         } catch (Exception e) { 
  12.             e.printStackTrace(); 
  13.         } 
  14.     }); 
  15.  
  16.     executorService.submit(() -> { 
  17.         try { 
  18.             System.out.println("线程2:" + Thread.currentThread().getName()); 
  19.             cyclicBarrier.await(); 
  20.         } catch (Exception e) { 
  21.             e.printStackTrace(); 
  22.         } 
  23.     }); 
  24.  
  25.     executorService.shutdown(); 

执行结果:

  1. 线程1:pool-1-thread-1 
  2. 线程2:pool-1-thread-2 
  3. 栅栏中的线程执行完成 

6.2 原理讲解

CyclicBarrier初始化的时候,会指定线程的数量count,每个线程执行完逻辑后,调用CyclicBarrier的await方法,这个方法首先将count减1,然后调用Condition的await,让当前线程进入条件等待队列。当最后一个线程将count减1后,count数量等于0,这时就会调用Condition的signalAll方法唤醒所有线程。

7 总结

java的管程模型使用了MESA模型,基于AQS实现的MESA模型中,使用双向队列实现了入口等待队列,使用变量state实现了并发锁,使用Condition实现了条件等待队列。

在AQS的实现中,使用同步队列这个术语来表示双向队列,本文中使用入口等待队列来描述是为了更好的配合管程模型来讲解。

AQS的Condition中,使用await方法将当前线程放入条件等待队列阻塞等待,使用notify来唤醒条件等待队列中的线程,被唤醒之后,线程并不能立刻执行,而是进入入口等待队列等待获取锁。

 

责任编辑:武晓燕 来源: 程序员jinjunzhu
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