Java并发编程——AQS源码解析
- 什么是AQS
- AQS有什么用
- AQS实现方式
一、AQS是什么？
AQS是一个基于先进先出（FIFO）等待队列的实现阻塞锁和同步器的框架。AQS通过一个volatile int state变量来保存锁的状态。子类必须通过：
- getState()：获取当前的同步状态
- setState(int newState)：设置当前同步状态
- compareAndSetState(int expect,int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。
三个方法修改获取锁的状态值state。
CAS (compare and swap) 比较并交换，就是将内存值与预期值进行比较，如果相等才将新值替换到内存中，并返回true表示操作成功；如果不相等，则直接返回false表示操作失败。CAS操作大多都是靠CPU原语来实现。CAS操作经常被用来实现无锁数据结构，在java.util.concurrent包中就有很多这样的数据结构：ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentLinedDeque、ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet。
1、AQS支持的锁的类别
AQS支持独占锁和共享锁两种。
- 独占锁：锁在一个时间点只能被一个线程占有。根据锁的获取机制，又分为“公平锁”和“非公平锁”。等待队列中按照FIFO的原则获取锁，等待时间越长的线程越先获取到锁，这就是公平的获取锁，即公平锁。而非公平锁，线程获取的锁的时候，无视等待队列直接获取锁。ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock.Writelock是独占锁。
- 共享锁：同一个时候能够被多个线程获取的锁，能被共享的锁。JUC包中ReentrantReadWriteLock.ReadLock，CyclicBarrier，CountDownLatch和Semaphore都是共享锁。
2、基于AQS实现锁
AQS中没有实现任何的同步接口，所以一般子类通过继承AQS以内部类的形式实现锁机制。一般通过继承AQS类实现同步器，通过getState、setState、compareAndSetState来监测状态，并重写以下方法：
- tryAcquire()：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryRelease()：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryAcquireShared()：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
- tryReleaseShared()：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。
- isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。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。
3、AQS同步器的存储结构
二、AQS源码解析
1、存储节点Node
我们一直在说AQS是基于FIFO队列的存储结构，它是以内部类Node节点的形式进行存储。这个等待队列是CLH同步队列。
static final class Node {
/** 共享节点模式下的节点 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 独占模式下的节点 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** 取消状态 */
static final int CANCELLED = 1;
/** 后继节点的线程处于等待状态，而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行 */
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
/**
* 下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
*/
static final int PROPAGATE = -3;
/**
* Status field, taking on only the values:
* SIGNAL: The successor of this node is (or will soon be)
* blocked (via park), so the current node must
* unpark its successor when it releases or
* cancels. To avoid races, acquire methods must
* first indicate they need a signal,
* then retry the atomic acquire, and then,
* on failure, block.
* CANCELLED: This node is cancelled due to timeout or interrupt.
* Nodes never leave this state. In particular,
* a thread with cancelled node never again blocks.
* CONDITION: This node is currently on a condition queue.
* It will not be used as a sync queue node
* until transferred, at which time the status
* will be set to 0. (Use of this value here has
* nothing to do with the other uses of the
* field, but simplifies mechanics.)
* PROPAGATE: A releaseShared should be propagated to other
* nodes. This is set (for head node only) in
* doReleaseShared to ensure propagation
* continues, even if other operations have
* since intervened.
* 0: None of the above
*
* The values are arranged numerically to simplify use.
* Non-negative values mean that a node doesn't need to
* signal. So, most code doesn't need to check for particular
* values, just for sign.
*
* The field is initialized to 0 for normal sync nodes, and
* CONDITION for condition nodes. It is modified using CAS
* (or when possible, unconditional volatile writes).
*/
volatile int waitStatus;
/**
* 前驱节点
*/
volatile Node prev;
/**
* 后驱节点
*/
volatile Node next;
/**
* 获取同步状态的线程
*/
volatile Thread thread;
/**
* Link to next node waiting on condition, or the special
* value SHARED. Because condition queues are accessed only
* when holding in exclusive mode, we just need a simple
* linked queue to hold nodes while they are waiting on
* conditions. They are then transferred to the queue to
* re-acquire. And because conditions can only be exclusive,
* we save a field by using special value to indicate shared
* mode.
*/
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;
}
}
在Node内部类中，声明了pre、next节点用于队列的连接，同时保存了waitStatus状态。
2、AQS源码解析
在面向对象的世界中，想要了解一个类有什么特点，就要看它的属性。通过查看源码，我们看到AQS类包含：
/**
* Head of the wait queue, lazily initialized. Except for
* initialization, it is modified only via method setHead. Note:
* If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
* CANCELLED.
*/
private transient volatile Node head;
/**
* Tail of the wait queue, lazily initialized. Modified only via
* method enq to add new wait node.
*/
private transient volatile Node tail;
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
- 前驱头节点-head
- 后驱尾节点-tail
- 同步器状态-state
AQS基于FIFO队列，接下来就依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来分析入队和出队。
1、acquire(int)
此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源成功，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire源码：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
在acquire方法中调用了tryAcquire()、acquireQueued()、addWaiter()三个方法。
首先通过tryAcquire方法尝试申请独占锁。如果获取成功则返回true，否则返回false。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
呦西，源码中直接throw一个异常。结合我们前面自定义锁的知识，AQS只是一个框架，具体资源获取和释放方式交由自定义同步器实现。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。
接着就是addWaiter()方法用于将当前线程添加到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的节点。
private Node addWaiter(Node mode) {
//以给定的Node节点模式构建当前线程的Node节点，在acquire方法中传入的是EXCLUSIVE独占式节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 将尾节点进行保存
Node pred = tail;
if (pred != null) {//如果尾节点不为null
//将尾节点设置尾新节点的prev节点
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {//通过CAS保证，确保节点能够被线程安全的添加
//将当前界定指向前驱的next节点
pred.next = node;
return node;
}
}
//如果尾节点为null，则通过enq进行入队
enq(node);
return node;
}
//同步器通过死循环的方式来保证节点的正确添加，在“死循环” 中通过CAS将节点设置成为尾节点之后，
//当前线程才能从该方法中返回，否则当前线程不断的尝试设置。
private Node enq(final Node node) {
//CAS"自旋"，直到成功加入队尾
for (;;) {
//尾节点临时存储
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
//如果tail为null，则将
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
在addWaiter(Node node)方法中，将当前线程节点添加到等待队列中。
acquireQueued在队列中的线程获取锁
/**
* Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
* queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
*
* @param node the node
* @param arg the acquire argument
* @return {@code true} if interrupted while waiting
*
* acquireQueued方法当前线程在死循环中获取同步状态，而只有前驱节点是头节点才能尝试获取同步状态（锁）（ p == head && tryAcquire(arg)）
* 原因是:1.头结点是成功获取同步状态（锁）的节点，而头节点的线程释放了同步状态以后，将会唤醒其后继节点，后继节点的线程被唤醒后要检查自己的前驱节点是否为头结点。
* 2.维护同步队列的FIFO原则，节点进入同步队列之后，就进入了一个自旋的过程，每个节点（或者说是每个线程）都在自省的观察。
*
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
//死循环检查（自旋检查）当前节点的前驱节点是否为头结点，才能获取锁
for (;;) {
// 获取节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//节点中的线程循环的检查，自己的前驱节点是否为头节点
//将当前节点设置为头结点，移除之前的头节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 否则检查前一个节点的状态，看当前获取锁失败的线程是否要挂起
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//如果需要挂起，借助JUC包下面的LockSupport类的静态方法park挂起当前线程，直到被唤醒
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
//如果有异常
if (failed)
//取消请求，将当前节点从队列中移除
cancelAcquire(node);
}
}
通过addWaiter方法添加到等待队列中后，在通过acquireQueued方法进行锁的获取
函数流程：
- 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。
独占式锁获取流程
调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，该方法对中断不敏感，即线程获取同步状态失败后进入同步队列，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步队列中移除。获取流程：
- 当前线程通过tryAcquire()方法尝试获取锁，成功则直接返回，失败则进入队列排队等待，通过CAS获取同步状态。
- 如果尝试获取锁失败的话，构造同步节点（独占式的Node.EXCLUSIVE），通过addWaiter(Node node,int args)方法,将节点加入到同步队列的队列尾部。
- 最后调用acquireQueued(final Node node, int args)方法，使该节点以死循环的方式获取同步状态，如果获取不到，则阻塞节点中的线程。acquireQueued方法当前线程在死循环中获取同步状态，而只有前驱节点是头节点的时候才能尝试获取锁（同步状态）（ p == head && tryAcquire(arg)）。
2、release(int)：独占锁的释放
在AQS中通过release方法进行锁的释放。
public final boolean release(int arg) {
//调用tryRelease方法释放
if (tryRelease(arg)) {//如果释放成功
Node h = head;
//如果头节点不为null，并且头结点的waitStatus值不为0，即有状态
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
//没有释放成功返回false
return false;
}
// tryRelease() 尝试释放当前线程的同步状态（锁）
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//c为释放后的同步状态
int c = getState() - releases;
//判断当前释放锁的线程是否为获取到锁（同步状态）的线程，不是抛出异常（非法监视器状态异常）
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
//如果锁（同步状态）已经被当前线程彻底释放，则设置锁的持有者为null，同步状态（锁）变的可获取
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
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;
//从队列尾部开始往前去找最前面的一个waitStatus小于0的节点。
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;
}
//唤醒后继节点对应的线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
release()是独占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。
3、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);
}
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);
}
}
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park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。
doAcquireShared(int)此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。
4、releaseShared()
releaseShared()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。
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。
总结
本节中针对AQS进行了简单的学习，总结中参照了以下文章，推荐大家去阅读下。
- JUC回顾之-AQS同步器的实现原理：https://www.cnblogs.com/200911/p/60313
- 50.html
- JDK源码之AQS源码剖析：http://www.cnblogs.com/showing/p/6858410.html
- Java并发之AQS详解：https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html
