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淺談Java并發(fā) J.U.C之AQS：CLH同步隊(duì)列

更新時(shí)間：2019年05月21日 09:35:46 作者：chenssy

AQS內(nèi)部維護(hù)著一個(gè)FIFO隊(duì)列，該隊(duì)列就是CLH同步隊(duì)列。下面小編來(lái)簡(jiǎn)單介紹下這個(gè)隊(duì)列

CLH同步隊(duì)列是一個(gè)FIFO雙向隊(duì)列，AQS依賴它來(lái)完成同步狀態(tài)的管理，當(dāng)前線程如果獲取同步狀態(tài)失敗時(shí)，AQS則會(huì)將當(dāng)前線程已經(jīng)等待狀態(tài)等信息構(gòu)造成一個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node）并將其加入到CLH同步隊(duì)列，同時(shí)會(huì)阻塞當(dāng)前線程，當(dāng)同步狀態(tài)釋放時(shí)，會(huì)把首節(jié)點(diǎn)喚醒（公平鎖），使其再次嘗試獲取同步狀態(tài)。

在CLH同步隊(duì)列中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)線程，它保存著線程的引用（thread）、狀態(tài)（waitStatus）、前驅(qū)節(jié)點(diǎn)（prev）、后繼節(jié)點(diǎn)（next），其定義如下：

static final class Node {
 /** 共享 */
 static final Node SHARED = new Node();

 /** 獨(dú)占 */
 static final Node EXCLUSIVE = null;

 /**
 * 因?yàn)槌瑫r(shí)或者中斷，節(jié)點(diǎn)會(huì)被設(shè)置為取消狀態(tài)，被取消的節(jié)點(diǎn)時(shí)不會(huì)參與到競(jìng)爭(zhēng)中的，他會(huì)一直保持取消狀態(tài)不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麪顟B(tài)；
 */
 static final int CANCELLED = 1;

 /**
 * 后繼節(jié)點(diǎn)的線程處于等待狀態(tài)，而當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的線程如果釋放了同步狀態(tài)或者被取消，將會(huì)通知后繼節(jié)點(diǎn)，使后繼節(jié)點(diǎn)的線程得以運(yùn)行
 */
 static final int SIGNAL = -1;

 /**
 * 節(jié)點(diǎn)在等待隊(duì)列中，節(jié)點(diǎn)線程等待在Condition上，當(dāng)其他線程對(duì)Condition調(diào)用了signal()后，改節(jié)點(diǎn)將會(huì)從等待隊(duì)列中轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列中，加入到同步狀態(tài)的獲取中
 */
 static final int CONDITION = -2;

 /**
 * 表示下一次共享式同步狀態(tài)獲取將會(huì)無(wú)條件地傳播下去
 */
 static final int PROPAGATE = -3;

 /** 等待狀態(tài) */
 volatile int waitStatus;

 /** 前驅(qū)節(jié)點(diǎn) */
 volatile Node prev;

 /** 后繼節(jié)點(diǎn) */
 volatile Node next;

 /** 獲取同步狀態(tài)的線程 */
 volatile Thread thread;

 Node nextWaiter;

 final boolean isShared() {
 return nextWaiter == SHARED;
 }

 final Node predecessor() throws NullPointerException {
 Node p = prev;
 if (p == null)
 throw new NullPointerException();
 else
 return p;
 }

 Node() {
 }

 Node(Thread thread, Node mode) {
 this.nextWaiter = mode;
 this.thread = thread;
 }

 Node(Thread thread, int waitStatus) {
 this.waitStatus = waitStatus;
 this.thread = thread;
 }
}

CLH同步隊(duì)列結(jié)構(gòu)圖如下：

入列

學(xué)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的我們，CLH隊(duì)列入列是再簡(jiǎn)單不過(guò)了，無(wú)非就是tail指向新節(jié)點(diǎn)、新節(jié)點(diǎn)的prev指向當(dāng)前最后的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的next指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。代碼我們可以看看addWaiter(Node node)方法：

 private Node addWaiter(Node mode) {
 //新建Node
 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 //快速嘗試添加尾節(jié)點(diǎn)
 Node pred = tail;
 if (pred != null) {
 node.prev = pred;
 //CAS設(shè)置尾節(jié)點(diǎn)
 if (compareAndSetTail(pred, node)) {
 pred.next = node;
 return node;
 }
 }
 //多次嘗試
 enq(node);
 return node;
 }

addWaiter(Node node)先通過(guò)快速嘗試設(shè)置尾節(jié)點(diǎn)，如果失敗，則調(diào)用enq(Node node)方法設(shè)置尾節(jié)點(diǎn)

 private Node enq(final Node node) {
 //多次嘗試，直到成功為止
 for (;;) {
 Node t = tail;
 //tail不存在，設(shè)置為首節(jié)點(diǎn)
 if (t == null) {
 if (compareAndSetHead(new Node()))
 tail = head;
 } else {
 //設(shè)置為尾節(jié)點(diǎn)
 node.prev = t;
 if (compareAndSetTail(t, node)) {
 t.next = node;
 return t;
 }
 }
 }
 }

在上面代碼中，兩個(gè)方法都是通過(guò)一個(gè)CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)來(lái)設(shè)置尾節(jié)點(diǎn)，該方法可以確保節(jié)點(diǎn)是線程安全添加的。在enq(Node node)方法中，AQS通過(guò)“死循環(huán)”的方式來(lái)保證節(jié)點(diǎn)可以正確添加，只有成功添加后，當(dāng)前線程才會(huì)從該方法返回，否則會(huì)一直執(zhí)行下去。

過(guò)程圖如下：

出列

CLH同步隊(duì)列遵循FIFO，首節(jié)點(diǎn)的線程釋放同步狀態(tài)后，將會(huì)喚醒它的后繼節(jié)點(diǎn)（next），而后繼節(jié)點(diǎn)將會(huì)在獲取同步狀態(tài)成功時(shí)將自己設(shè)置為首節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，head執(zhí)行該節(jié)點(diǎn)并斷開原首節(jié)點(diǎn)的next和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的prev即可，注意在這個(gè)過(guò)程是不需要使用CAS來(lái)保證的，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)線程能夠成功獲取到同步狀態(tài)。過(guò)程圖如下：