Java的AQS - HelloWorld开发者社区

Java的AQS

简介

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，为一系列同步器依赖于一个单独的原子变量（state）的同步器提供了一个非常有用的基础。子类们必须定义改变state变量的protected方法，这些方法定义了state是如何被获取或释放的。鉴于此，本类中的其他方法执行所有的排队和阻塞机制。子类也可以维护其他的state变量，但是为了保证同步，必须原子地操作这些变量。

state的访问方式有三种:

getState() setState() compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式：****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）

AQS的设计

AQS核心

AQS则实现了对同步状态的管理，以及对阻塞线程进行排队，等待通知等等一些底层的实现处理。AQS的核心也包括了这些方面:同步队列，独占式锁的获取和释放，共享锁的获取和释放以及可中断锁，超时等待锁获取这些特性的实现。

从AQS提供的模板方法可以分为2类锁机制：

1.独占式获取与释放同步状态

void acquire(int arg)：独占式获取同步状态，如果获取失败则插入同步队列进行等待；void acquireInterruptibly(int arg)：与acquire方法相同，但在同步队列中进行等待的时候可以检测中断；boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：在acquireInterruptibly基础上增加了超时等待功能，在超时时间内没有获得同步状态返回false; boolean release(int arg)：释放同步状态，该方法会唤醒在同步队列中的下一个节点

2.共享式获取与释放同步状态

void acquireShared(int arg)：共享式获取同步状态，与独占式的区别在于同一时刻有多个线程获取同步状态；void acquireSharedInterruptibly(int arg)：在acquireShared方法基础上增加了能响应中断的功能；boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：在acquireSharedInterruptibly基础上增加了超时等待的功能；boolean releaseShared(int arg)：共享式释放同步状态

自定义同步器

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

Java的AQS

Java的AQS已实现的实例

以ReentrantLock（独占方式）为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

以CountDownLatch（共享方式）以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方式，要么是共享方式，但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock

AQS的源码分析

1.同步队列

上面所述的FIFO等待队列，那么我们看看它到底是个什么东西。

当共享资源被某个线程占有，其他请求该资源的线程将会阻塞，从而进入同步队列。就数据结构而言，队列的实现方式无外乎两者一是通过数组的形式，另外一种则是链表的形式。AQS中的同步队列则是通过链式方式进行实现。

/**
* <p>To enqueue into a CLH lock, you atomically splice it in as new
* tail. To dequeue, you just set the head field.
* <pre>
* +------+ prev +-----+ +-----+
* head | | <---- | | <---- | | tail
* +------+ +-----+ +-----+
* </pre>
**/
static final class Node {
//指示节点在共享模式下等待的标记
static final Node SHARED = new Node();
//标记，指示节点在独占模式下等待
static final Node EXCLUSIVE = null;
//表示线程已被取消的waitStatus值
static final int CANCELLED = 1;
//后继节点的线程处于等待状态，如果当前节点释放同步状态会通知后继节点，使得后继节点的线程能够运行；
static final int SIGNAL = -1;
//waitStatus值，当前节点进入等待队列中
static final int CONDITION = -2;
//表示下一个默认值的waitStatus值表示下一次共享式同步状态获取将会无条件传播下去
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;//当前节点状态，上面所列的静态变量
volatile Node prev; //当前节点/线程的前驱节点
volatile Node next;//当前节点/线程的后继节点
volatile Thread thread;//加入同步队列的线程引用
Node nextWaiter;//等待队列中的下一个节点
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}

上面就是节点的数据结构类型，并且每个节点拥有其前驱和后继节点，很显然这是一个双向队列，可以总结为下图：

Java的AQS

通过对源码的理解现在我们可以清楚的知道这样几点：

1.节点的数据结构，即AQS的静态内部类Node,节点的等待状态等信息；2.同步队列是一个双向队列，AQS通过持有头尾指针管理同步队列；3.节点的入队和出队实际上这对应着锁的获取和释放两个操作：获取锁失败进行入队操作，获取锁成功进行出队操作。

2.独占锁

2.1独占锁的获取（acquire方法）

public final void acquire(int arg) {
//先看同步状态是否获取成功，如果成功则方法结束返回
//若失败则先调用addWaiter()方法再调用acquireQueued()方法
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}

acquire函数的流程如下：

tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

acquire根据当前获得同步状态成功与否做了两件事情：

成功，则方法结束返回
失败，则先调用addWaiter()然后在调用acquireQueued()方法。

2.1.1 tryAcquire(int)

此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

什么？直接throw异常？说好的功能呢？好吧，还记得概述里讲的AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗？就是这里了！！！AQS这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现了（通过state的get/set/CAS）！！！至于能不能重入，能不能加塞，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了！！！当然，自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。

这里之所以没有定义成abstract，是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。说到底，Doug Lea还是站在咱们开发者的角度，尽量减少不必要的工作量。

2.1.2 addWaiter

将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式

private Node addWaiter(Node mode) {
// 1. 将当前线程构建成Node类型
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 2. 当前尾节点是否为null？
Node pred = tail;
if (pred != null) {
// 2.2 将当前节点尾插入的方式插入同步队列中
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 2.1. 当前同步队列尾节点为null，说明当前线程是第一个加入同步队列进行等待的线程
enq(node);
return node;
}

程序的逻辑主要分为两个部分：**1. 当前同步队列的尾节点为null，调用方法enq()插入;**2. 当前队列的尾节点不为null，则采用尾插入（compareAndSetTail（）方法）的方式入队。

如果 if (compareAndSetTail(pred, node))为false会继续执行到enq()方法，同时很明显compareAndSetTail是一个CAS操作，通常来说如果CAS操作失败会继续自旋（死循环）进行重试

private Node enq(final Node node) {
//CAS"自旋"，直到成功加入队尾
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {//正常流程，放入队尾
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

对enq()方法可以做这样的总结：在当前线程是第一个加入同步队列时，调用compareAndSetHead(new Node())方法，完成链式队列的头结点的初始化；自旋不断尝试CAS尾插入节点直至成功为止。

2.1.3 acquireQueued

通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。该线程下一步该干什么了呢：进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似.

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
try {
boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过
//又是一个“自旋”！
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
//如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！
failed = false;
return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
}
//如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

其中有两个方法需要了解的shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt

**shouldParkAfterFailedAcquire()**此方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以去休息了。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态
if (ws == Node.SIGNAL)
//如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了
return true;
if (ws > 0) {
/*
* 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。
* 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}

整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

**parkAndCheckInterrupt()**如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

小结：

acquireQueued的主要流程：

1.调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；2.没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；3.acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。4.如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

Java的AQS

2.2 独占锁的释放（release方法）

它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;//找到头结点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
return true;
}
return false;
}

2.2.1 tryRelease

它的返回值用来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点！！

protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

2.2.2 unparkSuccessor

　此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。

private void unparkSuccessor(Node node) {
//这里，node一般为当前线程所在的结点。
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程

3.共享锁

3.1 共享锁的获取acquireShared(int)

此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码：

public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}

这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是：

tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；失败则通过doAcquireShared()进入等待队列，直到获取到资源为止才返回。

3.1.1 doAcquireShared

private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
boolean failed = true;//是否成功标志
try {
boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//前驱
if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
if (r >= 0) {//成功
setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
p.next = null; // help GC
if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
//判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

有木有觉得跟acquireQueued()很相似？对，其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了，而独占模式是放到acquireQueued()之外，其实都一样

注意：跟独占模式比，还有一点需要注意的是，这里只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了，假如老大用完后释放了5个资源，而老二需要6个，老三需要1个，老四需要2个。老大先唤醒老二，老二一看资源不够，他是把资源让给老三呢，还是不让？答案是否定的！老二会继续park()等待其他线程释放资源，也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式，同一时刻只有一个线程去执行，这样做未尝不可；但共享模式下，多个线程是可以同时执行的，现在因为老二的资源需求量大，而把后面量小的老三和老四也都卡住了。当然，这并不是问题，只是AQS保证严格按照入队顺序唤醒罢了（保证公平，但降低了并发）。

3.1.2 setHeadAndPropagate(Node, int)

此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式！

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
setHead(node);//head指向自己
//如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}

3.2 共享锁的释放releaseShared

此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码：

public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源
doReleaseShared();//唤醒后继结点
return true;
}
return false;
}

　　此方法的流程也比较简单，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。

例如，资源总量是13，A（5）和B（7）分别获取到资源并发运行，C（4）来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量，然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看只有3个仍不够继续等待；随后B又释放2个，tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看有5个够自己用了，然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源（state=0）才返回true，所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。