Java并发编程AQS详解_aqs java

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AQS，全称AbstractQuenedSynchronizer,可以理解为抽象的队列同步器。所谓抽象就代表着这个类要被继承和复用，实际上AQS这个类也确实是Java实现多线程并发编程的中必不可少的一个基础类，JUC中许多工具类的内部都继承了AQS，而AQS的底层则广泛的应用了CAS的实现。下面我们从源码的角度来深入了解一下AQS这个类。

1.AQS的内部属性

进入AQS类的内部我们先来了解其最重要的三个内部属性：

 
 
 private transient volatile Node head;
 
 private transient volatile Node tail;
 
 private volatile int state;

从AQS的名字中我们就可以看出AQS内部会维护一个队列，实际上 AQS内部也确实是将竞争资源对象的线程都排成了一个FIFO队列，而这里的head与tail就代表了这个队列的对头与队尾。值得一提的是head实际上并不会真的指向队列中的第一个线程，它的下一个结点才是队列中的第一个线程。而这里的state则是代表了当前资源对象的锁状态，用于判断当前资源对象是否正在被占用，使用volatile实现其线程之间的可见性。这三个内部属性构成了AQS的简单架构，如下图所示：

可以看出，AQS内部维护一个先进先出的队列，用以记录所有等待调用资源对象的线程，而对象资源的占用状态则用state表示，从之前的内部属性我们可以看出AQS是用Node来实现队列，那么接下来让我们看一下AQS内部是如何定义这个Node的：

 static final class Node {
        /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
        static final Node EXCLUSIVE = null;
 
        /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate
         */
        static final int PROPAGATE = -3;
 
        
        volatile int waitStatus;
 
        
        volatile Node prev;
 
        volatile Node next;
 
        volatile Thread thread;
 
        Node nextWaiter;
 
        /**
         * Returns true if node is waiting in shared mode.
         */
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }
 
        /**
         * Returns previous node, or throws NullPointerException if null.
         * Use when predecessor cannot be null.  The null check could
         * be elided, but is present to help the VM.
         *
         * @return the predecessor of this node
         */
        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;
        }
    }

从Node的代码里面我们可以看出以下信息：

①Node有两种状态，共享与独占；

②对于每一个Node都会有两个指针，分别指向自己的前后结点，因此可以看出AQS维护的这个FIFO队列内部其实是用双向链表实现的；

③每个Node结点都有一个等待状态waitStatus用以表示当前结点的线程状态，这是一个枚举值，取值范围为： CANCELLED = 1;SIGNAL = -1;CONDITION = -2;PROPAGATE = -3，对于这几个枚举值我们对其解释如下：

SIGNAL:表示该节点的后继节点被阻塞(或即将被阻塞),因此当前节点在释放或取消时必须解除其后继节点的阻塞。

CANCELLED:表示由于超时或中断，此节点被取消，节点永远不会离开这种状态。取消了节点的线程不会再阻塞其它线程。

CONDITION:表示此节点当前位于条件队列中,可以理解为它关联了某个条件对象。在传输之前，它不会被用作同步队列节点，传输时状态将被设置为0。(此处使用该值与该字段的其他用途无关，只是简化了机制。)

PROPAGATE:表示共享模式的结点释放资源对象后应该将该信息传播给其它结点。

而在初始化waitStatus时，会默认将其赋值为0，表示普通的同步结点，对条件队列则使用CONDITION。它们的修改过程都是CAS的。

以上就是Node内部类中比较重要的几个信息，当然它还有一些其它方法，如获取每个node的前置结点，记录当前线程信息等方法，上述代码中已有展示，在此不再一一叙述。

2.AQS中的重要方法

在我们基本上了解了AQS内部主要的属性，数据结构和架构后，接下来我们就要探究一下AQS具体是怎么使用我们说到的state，Node和FIFO实现多线程的同步管理的。

首先我们要知道，实现多线程同步的方法是对资源对象进行加锁，而加锁的情况可以分为两种，一种是线程尝试对资源对象加锁，不管成功与否都直接返回结果；一种是强行加锁，如果加锁不成功，就一直等待直到加锁成功。而AQS中正好也是使用tryAcquire和acquire这两个方法实现这两种不同的加锁情况的，下面我们来看一下具体实现的源码;

 public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

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

上面代码中我们可以看出AQS对尝试加锁tryAcquire方法的描写非常简单，里面只有一行简单的抛出异常，这是为了让开发人员去继承重写这个方法，在重写的方法里面我们可以加上自己的业务逻辑代码，而对于加锁acquire方法，AQS直接使用final修饰，意味着开发人员只需要去调用我这个方法就行，不需要去修改，其对自己的这个方法充满信心，那么让我们来仔细研究一下这个方法的具体实现吧。

首先在进入acquire方法后我们会进行判断，如果当前线程通过tryAcquire方法尝试获取锁成功，那么就不需要加锁，直接退出，如果尝试加锁失败就会进入addWaiter(Node.EXCLUSIVE)这个方法中，这个方法看名字应该是把当前结点加入等待队列的意思，那么让我们看一下它的具体实现吧：

 private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

进入addWaiter方法，我们首先看到它为当前线程创建了一个Node结点，并传入它是共享还是独占模式的，接下来又创建了一个Node结点pred，并让它指向了FIFO的尾结点，然后判断pred是否为空，如果不为空，那么就将代表当前线程的结点node的前指针指向pred，然后通过CAS操作将当前结点置为尾结点，即入队操作，如果CAS操作成功，则将pred结点尾指针指向node，完成完整的入队操作，返回node即可。但如果CAS操作失败，则代表当前的尾结点发生了变化，pred指向的已经不是尾结点，那么入队操作失败，执行完整的入队操作enq方法。

在入队操作中，如果CAS操作失败，或者一开始的队列为空都需要执行enq完整的入队方法，下面我们看一下完整入队方法的实现：

 private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

可以看出，完整的入队方法enq里面是一个自旋操作，首先我们创建一个新结点t指向队尾，如果队尾为空，那我们就用CAS操作创建队头，然后让队尾指向队头结点，之后执行的入队方法就与addWaiter中的操作类似，使用CAS操作修改队尾，自旋直到成功后返回即可。

到此，我们就完全搞明白了acquire方法中执行入队操作的addWaiter方法的执行流程，那么回归acquire方法，在执行完入队操作后，我们就需要对这些入队的线程进行管理，接下来就会执行acquireQueued方法，下面我们来看一下acquireQueued方法的实现：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

在这个方法中，我们看到AQS定义了默认为true的failed和默认为false的interrupted属性，接下来我们来看看AQS是怎么操作的，首先，程序会进入一个自旋，AQS定义一个Node结点p指向当前node的前置结点，如果node的前置结点是头结点，并且node结点尝试获取锁成功，那么我们将当前结点设置为头结点然后修改failed值为false，并返回值为false的interrupt额度，代表当前结点获取锁没有被中断。如果p确实为头结点，那么这里就会自旋等待当前结点获取锁。

若p结点不是头结点，这里我们就要进shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt方法中，并修改interrupted为true，代表等待锁过程中被中断过，而如果获取锁的过程中出现异常等操作进入finally中，则会取消当前结点加锁的行为。

下面让我们再来看一下shouldParkAfterFailedAcquire与parkAndCheckInterrupt方法都做了什么吧:

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
             * retry to make sure it cannot acquire before parking.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

首先是shouldParkAfterFailedAcquire方法，这个方法是判断当前结点是否需要挂起（park），进入这个方法后会先获取当前结点前置结点的waitStatus，记为ws。如果ws值为SIGNAL，代表其前置结点也在拿锁，且其拿到锁在准备释放时会唤醒它后面的结点，因此当前结点就是安全的，可以被挂起；但如果ws>0，代表前置结点处于CANCEL，即被取消状态，那么就需要不断的向前寻找，直到找到第一个ws不是CANCEL状态的结点，此时当前结点的前置结点已经发生了变化，因此对其返回false，不允许挂起当前结点，要求其按照新的前置结点，再执行以此外层的判断。

如果前置结点的状态不是SIGNAL或者CANCEL，那么我们就通过CAS的操作把前置结点的状态更改为SIGNAL，然后返回false在此执行外层逻辑。

通过shouldParkAfterFailedAcquire方法我们判断当前结点能不能被挂起，如果返回false则不能挂起，继续执行外层逻辑，如果能挂起，那我们就需要执行parkAndCheckInterrupt执行具体的挂起操作，其内部代码如下：

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

这个方法很简单，它调用一个LockSupport.park(this)方法实现对当前结点的挂起操作，而这个方法是通过unsafe方法调用native方法使用操作系统原语实现挂起的。在挂起期间，当前结点会在此阻塞，直到其它结点释放锁唤醒它。在park期间，当前结点是不会响应中断的，所以在当前结点被唤醒后，需要返回 Thread.interrupted();去判断它挂起期间是否有被中断过。

在了解完这两个方法后，我们基本上就了解了整个AQS加锁的过程，但其中还有一个问题没有解决，那就是所得释放问题，与加锁对应，释放锁也有两个方法tryRelease和release方法，具体如下:

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

  public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

从代码中我们可以看出，tryRelease与tryAcquire类似，都是用于让开发人员继承去实现具体的业务逻辑的，而release方法则是关键的释放代码，在release方法中，首先尝试释放锁，如果释放则直接返回false，若成功，则需要去唤醒后面的其它结点，具体方法为unparkSuccessor(h);其内部实现如下：

private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
 
        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

在这个方法里面，它首先会获取头结点的waitStatus，记为ws。如果ws<0，则使用CAS操作将其置为0，表示锁已经释放。然后创建Node结点指向队中第一个结点，记为s，如果s不存在，代表当前队列没有结点了，或者队中第一个结点的状态>0，及为CANCEL，那么先将s置为null，然后从后往前扫描整个队列，找到距离head最近的状态不是CANCEL的结点，然后唤醒它就可以了。这里需要说的是，为什么从后向前扫描，这是因为加入队列是我们是先让当前结点前指针指向记录的尾结点，然后修改记录的尾结点指向当前结点这个顺序的，这个操作在多线程情况下是线程安全的，因为两个结点的相对位置是固定的，而在扫描时，从前向后就可能出现线程不安全的情况。

3.总结

在前面两节内容中我们介绍了AQS中主要的内部属性和加锁，释放锁的过程，现在，我们对其进行总结如下：

AQS的内部维护了一个Node结点组成的FIFO队列，用来控制多线程等待获取资源对象，使用state属性记录资源对象的锁占有状态。

当多个线程竞争一个资源对象时，AQS提供两种加锁方式，第一种tryAcquire方法是用来让开发人员继承实现业务逻辑的，而acquire方法则是实现加锁的核心操作。在acquire方法中，首先会调用tryAcquire方法判断能否直接加锁，若成功则直接返回，否则进入addWaiter方法，在addWaiter方法中，首先创建Node结点指向当前FIFO队列的队尾，创建Node结点获取当前线程及其独占共享状态，之后判断如果队尾不为空则使用CAS的操作将当前结点置为队尾，修改当前结点的前指针为之前记录的队尾，将记录的队尾的后指针指向当前结点，然后返回当前结点即可。如果当前记录的队尾为空或者CAS操作失败，进入完整的enq入队方法，完整的enq方法里面是一个自旋操作，它会判断如果队尾为空，则创建一个队头，让队尾指向队头，然后自旋执行与addWaiter方法中类似的CAS操作，将当前结点入队即可。

在完成入队操作后，AQS通过acquireQuened方法管理队列，acquireQuened方法中初始设置faild为true与interrupted为false，创建结点p执行当前结点的前指针，如果p为头指针且对当前结点尝试加锁成功，则将当前结点置为头指针，然后返回interrupted表示当前获取锁过程是否有中断；当分析p不是头指针或者尝试获取锁失败后，需要考虑当前结点是否需要挂起，使用shouldParkAfterFailedAcquire与parkAndCheckInterrupt方法判断并执行挂起操作。shouldParkAfterFailedAcquire方法内部通过判断结点的waitStatus决定当前结点能否被挂起，而parkAndCheckInterrupt方法使用lockSupport.park执行挂起操作，唤醒后返回Thread.isInterrupted方法判断挂起期间是否有被中断过。

在释放锁时AQS与加锁类似，release方法调用unparkSuccessor方法唤醒下一个非CANCEL状态的结点去尝试获取锁。