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深入浅出AbstractQueuedSynchronizer

在Java多线程编程中，重入锁(ReentrantLock) 和信号量(Semaphore)是两个极其重要的并发控制工具。相信大部分读者都应该比较熟悉它们的使用(如果不清楚的小伙伴，赶快拿出书本翻阅一下)。

但是不知道大家是不是有了解过重入锁和信号量的实现细节? 我就带大家看一看它们的具体实现。

首先，先上一张重要的类图，来说明一下三者之间的关系：

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可以看到，重入锁和信号量都在自己内部，实现了一个AbstractQueuedSynchronizer的子类，子类的名字都是Sync。而这个Sync类，也正是重入锁和信号量的核心实现。子类Sync中的代码也比较少，其核心算法都由AbstractQueuedSynchronizer提供。因此，可以说，只要大家了解了AbstractQueuedSynchronizer，就清楚得知道重入锁和信号量的实现原理了。

了解AbstractQueuedSynchronizer你必须知道的

在正是进入AbstractQueuedSynchronizer之前，还有一些基础知识需要大家了解，这样才能更好的理解AbstractQueuedSynchronizer的实现。

基于许可的多线程控制

为了控制多个线程访问共享资源，我们需要为每个访问共享区间的线程派发一个许可。拿到一个许可的线程才能进入共享区间活动。当线程完成工作后，离开共享区间时，必须要归还许可，以确保后续的线程可以正常取得许可。如果许可用完了，那么线程进入共享区间时，就必须等待，这就是控制多线程并行的基本思想。

打个比方，一大群孩子去游乐场玩摩天轮，摩天轮上只能坐20个孩子。但是却来了100个小孩。那么许可以的个数就是20。也就说一次只有20个小孩可以上摩天轮玩，其他的孩子必须排队等待。只有等摩天轮上的孩子离开控制一个位置时，才能有其他小孩上去玩。

因此，使用许可控制线程行为和排队玩摩天轮差不多就是一个意思了。

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排他锁和共享锁

第二个重要的概念就是排他锁(exclusive)和共享锁(shared)。顾名思义，在排他模式上，只有一个线程可以访问共享变量，而共享模式则允许多个线程同时访问。简单地说，重入锁是排他的；信号量是共享的。

用摩天轮的话来说，排他锁就是虽然我这里有20个位置，但是小朋友也只能一个一个上哦，多出来的位置怎么办呢，可以空着，也可以让摩天轮上唯一的小孩换着做，他想坐哪儿就坐哪儿，1分钟换个位置，都没有关系。而共享锁，就是玩耍摩天轮正常的打开方式了。

LockSupport

LockSupport可以理解为一个工具类。它的作用很简单，就是挂起和继续执行线程。它的常用的API如下：

public static void park() : 如果没有可用许可，则挂起当前线程
public static void unpark(Thread thread)：给thread一个可用的许可，让它得以继续执行

因为单词park的意思就是停车，因此这里park()函数就表示让线程暂停。反之，unpark()则表示让线程继续执行。

需要注意的是，LockSupport本身也是基于许可的实现，如何理解这句话呢，请看下面的代码：

LockSupport.unpark(Thread.currentThread());
LockSupport.park();

大家可以猜一下，park()之后，当前线程是停止，还是可以继续执行呢？

答案是：可以继续执行。那是因为在park()之前，先执行了unpark()，进而释放了一个许可，也就是说当前线程有一个可用的许可。而park()在有可用许可的情况下，是不会阻塞线程的。

综上所述，park()和unpark()的执行效果和它调用的先后顺序没有关系。这一点相当重要，因为在一个多线程的环境中，我们往往很难保证函数调用的先后顺序(都在不同的线程中并发执行)，因此，这种基于许可的做法能够最大限度保证程序不出错。

与park()和unpark()相比，一个典型的反面教材就是Thread.resume()和Thread.suspend()。

看下面的代码：

Thread.currentThread().resume();
Thread.currentThread().suspend();

首先让线程继续执行，接着在挂起线程。这个写法和上面的park()的示例非常接近，但是运行结果却是截然不同的。在这里，当前线程就是卡死。

因此，使用park()和unpark()才是我们的首选。而在AbstractQueuedSynchronizer中，也正是使用了LockSupport的park()和unpark()操作来控制线程的运行状态的。

AbstractQueuedSynchronizer内部数据结构

好了，基础的部分就介绍到这里。下面，让我们切入正题：首先来看一下AbstractQueuedSynchronizer的内部数据结构。

在AbstractQueuedSynchronizer内部，有一个队列，我们把它叫做同步等待队列。它的作用是保存等待在这个锁上的线程(由于lock()操作引起的等待）。此外，为了维护等待在条件变量上的等待线程，AbstractQueuedSynchronizer又需要再维护一个条件变量等待队列，也就是那些由Condition.await()引起阻塞的线程。

由于一个重入锁可以生成多个条件变量对象，因此，一个重入锁就可能有多个条件变量等待队列。实际上，每个条件变量对象内部都维护了一个等待列表。其逻辑结构如下所示：

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下面的类图展示了代码层面的具体实现：

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可以看到，无论是同步等待队列，还是条件变量等待队列，都使用同一个Node类作为链表的节点。对于同步等待队列，Node中包括链表的上一个元素prev，下一个元素next和线程对象thread。对于条件变量等待队列，还使用nextWaiter表示下一个等待在条件变量队列中的节点。

Node节点另外一个重要的成员是waitStatus，它表示节点等待在队列中的状态：

CANCELLED：表示线程取消了等待。如果取得锁的过程中发生了一些异常，则可能出现取消的情况，比如等待过程中出现了中断异常或者出现了timeout。
SIGNAL：表示后续节点需要被唤醒。
CONDITION：线程等待在条件变量队列中。
PROPAGATE：在共享模式下，无条件传播releaseShared状态。早期的JDK并没有这个状态，咋看之下，这个状态是多余的。引入这个状态是为了解决共享锁并发释放引起线程挂起的bug 6801020。（随着JDK的不断完善，它的代码也越来越难懂了 :(，就和我们自己的工程代码一样，bug修多了，细节就显得越来越晦涩）
0：初始状态

其中CANCELLED=1，SIGNAL=-1，CONDITION=-2，PROPAGATE=-3 。在具体的实现中，就可以简单的通过waitStatus释放小于等于0，来判断是否是CANCELLED状态。

排他锁

了解了AbstractQueuedSynchronizer的基本实现思路和数据结构，接下来一起看一下它的实现细节吧。首先，来看一下排他锁的实现。重入锁是一种典型的排他锁。

请求锁

下面是排他锁获得请求许可的代码：

public final void acquire(int arg) {
    //尝试获得许可， arg为许可的个数。对于重入锁来说，每次请求1个。
    if (!tryAcquire(arg) &&
    // 如果tryAcquire 失败，则先使用addWaiter()将当前线程加入同步等待队列
    // 然后继续尝试获得锁
    acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    selfInterrupt();
}

进入一步看一下tryAcquire()函数。该函数的作用是尝试获得一个许可。对于AbstractQueuedSynchronizer来说，这是一个未实现的抽象函数。

具体实现在子类中。在重入锁，读写锁，信号量等实现中，都有各自的实现。

如果tryAcquire()成功，则acquire()直接返回成功。如果失败，就用addWaiter()将当前线程加入同步等待队列。

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接着，对已经在队列中的线程请求锁，使用acquireQueued()函数，从函数名字上可以看到，其参数node，必须是一个已经在队列中等待的节点。它的功能就是为已经在队列中的Node请求一个许可。

这个函数大家要好好看看，因为无论是普通的lock()方法，还是条件变量的await()都会使用这个方法。

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条件变量等待

如果调用Condition.await()，那么线程也会进入等待，下面来看实现：

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Condition对象的signal()通知

signal()通知的时候，是在条件等待队列中，按照FIFO进行，首先从第一个节点下手：

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release()释放锁

释放排他锁很简单

public final boolean release(int arg) {
    //tryRelease()是一个抽象方法，在子类中有具体实现和tryAcquire()一样
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 从队列中唤醒一个等待中的线程（遇到CANCEL的直接跳过）
            unparkSuccessor(h);
            return true;
    }
    return false;
}

共享锁

与排他锁相比，共享锁的实现略微复杂一点。这也很好理解。因为排他锁的场景很简单，单进单出，而共享锁就不一样了。可能是N进M出，处理起来要麻烦一些。但是，他们的核心思想还是一致的。共享锁的几个典型应用有：信号量，读写锁中的写锁。

获得共享锁

为了实现共享锁，在AbstractQueuedSynchronizer中，专门有一套针对共享锁的方法。

获得共享锁使用acquireShared()方法：

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释放共享锁

释放共享锁的代码如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    //tryReleaseShared()尝试释放许可，这是一个抽象方法，需要在子类中实现
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        //上述代码中已经出现这个函数了，就是唤醒线程，设置传播状态
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

写在最后的话

AbstractQueuedSynchronizer 是一个比较复杂的实现，要完全理解其中的细节还需要慢慢琢磨。

这篇文章也只能起到一个抛砖引玉的作用，将AbstractQueuedSynchronizer的设计思想，核心数据结构已经核心实现代码展示给大家。希望对大家理解AbstractQueuedSynchronizer的实现，以及理解重入锁，信号量，读写锁有一定帮助。