【JDK1.8】JUC——AbstractQueuedSynchronizer

一、前言

在上一篇中，我们对LockSupport进行了阅读，因为它是实现我们今天要分析的AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）的基础，重新用一下最开始的图：

可以看到，在ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch，ReentrantReadWriteLock中都用到了继承自AQS的Sync内部类，正如AQS的java doc中一开始描述：

Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues.

为实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量，事件等）提供框架。

AQS根据模式的不同：独占（EXCLUSIVE）和共享（SHARED）模式。

• 独占：只有一个线程能执行。如ReentrantLock。
• 共享：多个线程可同时执行。如Semaphore，可以设置指定数量的线程共享资源。

对应的类根据不同的模式，来实现对应的方法。

二、结构概览

试想一下锁的应用场景，当线程试图请求资源的时候，先调用lock，如果获得锁，则得以继续执行，而没有获得，则排队阻塞，直到锁被其他线程释放，听起来就像是一个列队的结构。而实际上AQS底层就是一个先进先出的等待队列：

队列采用了链表的结构，node作为基本结构，主要有以下几个成员变量：

static final class Node {
    //用来表明当前节点的等待状态，主要有下面几个：
    // CANCELLED: 1, 表示当前的线程被取消
    // SIGNAL: -1, 表示后继节点需要运行，也就是unpark
    // CONDITION: -2, 表示线程在等待condition
    // PROPAGATE: -3, 表示后续的acquireShared能够得以执行，在共享模式中用到，后面会说
    // 0, 初始状态，在队列中等待
    volatile int waitStatus;
    // 指向前一个node
    volatile Node prev;
    // 指向后一个node
    volatile Node next;
    // 指向等待的那个线程
    volatile Thread thread;
    // 在condition中用到
    Node nextWaiter;
}

在AQS中，用head，tail来记录了队列的头和尾，方便快速操作队列：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    // 同步状态
    private volatile int state;
}

AQS的基本框架就是：state作为同步资源状态，当线程请求锁的时候，根据state数值判断能否获得锁。不能，则加入队列中等待。当持有锁的线程释放的时候，根据队列里的顺序来决定谁先获得锁。

三、源码阅读

独占模式典型的实现就是ReentrantLock，其具体流程如下：

独占模式下对应的lock-unlock就是acquire-release。整个过程如上图所示。我们先来看一下acquire方法：

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

1. 调用tryAcquire()，该方法会在独占模式下尝试请求获取对象状态。具体的实现由实现类去决定。
2. 如果tryAcquire()失败，即返回false，则调用addWaiter函数，将当前线程标记为独占模式，加入队列的尾部。
3. 调用acquireQueued()，让线程在队列中等待获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在等阿迪过程中被中断过，则返回true，否则返回false
4. 如果线程被中断过，在获取锁之后，调用中断

3.1 tryAcquire(int arg)

下面来具体看一下各个方法：

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

前面说过了，AQS提供的是框架，其具体的实现由实现类来完成，tryAcquire就是其中之一，需要子类自己实现的方法，那既然要自己实现，为什么不加abstract关键字，因为前面提到过，只有独占模式的实现类才需要实现这个方法，像Semaphore，CountDownLatch等共享模式的类不需要用到这个方法。如果加了关键字，那么这些类还要实现，显得很鸡肋。

3.2 addWaiter(Node mode)

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 将当前线程封装进node
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    
    Node pred = tail;
    // 插入队列尾部，并维持节点前后关系
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 上一步如果失败，在enq中继续处理
    enq(node);
    return node;
}

逻辑相对简单，其中compareAndSetTail采用Unsafe类来实现。那么下面的enq()方法是具体做了什么呢？

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // 队列初始化
        if (t == null) {
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        // 重复执行插入直到return
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

enq()方法为了防止在addWaiter中，节点插入队列失败没有return，或者队列没有初始化，在for循环中反复执行，确保插入成功，返回节点。

3.3 acquireQueued(final Node node, int arg)

到目前为止，走到acquireQueued()调用了前两个方法，意味着获取资源失败，将节点加入了等待队列，那么下面要做的就是阻塞当前的线程，等待资源被是否后，再次唤醒线程来取得资源。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            // 获取当前节点的前一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 前一个节点是头结点，且获取到了资源
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 不符合上面的条件，那么只能被park，等待被唤醒
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

acquireQueued当中，用for循环来让线程等待，直至获得资源return。而return的条件就是当前的节点是第二个节点，且头结点已经释放了资源。

再来看看shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt方法

先来说一下parkAndCheckInterrupt：

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

调用LockSupport.park，阻塞当前线程，当线程被重新唤醒后，返回是否被中断过。

再来重点看一下shouldParkAfterFailedAcquire：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 获取前一个节点的状态
    int ws = pred.waitStatus;
    // 如果前一个节点的状态是signal，前面提到表明会unpark下一个节点，则true
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    // 如果ws > 0 即CANCELLED，则向前找，直到找到正常状态的节点。
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        // 维护正常状态
        pred.next = node;
    // 将前一个节点设置为SIGNAL
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

shouldParkAfterFailedAcquire的主要作用就是将node放置在SIGNAL状态的前节点下，确保能被唤醒，在调用该方法后，CANCELLED状态的节点因为没有引用执行它将被GC。

那么问题来了，什么时候节点会被设置为CANCELLED状态？

答案就在try-finally的cancelAcquire(node)当中。当在acquireQueued取锁的过程中，抛出了异常，则会调用cancelAcquire。将当前节点的状态设置为CANCELLED。

3.4 cancelAcquire(Node node)

我们先来看一下它的源码：

private void cancelAcquire(Node node) {
    // node为空，啥都不干
    if (node == null)
        return;
    node.thread = null;

    // while查找，直到找到非CANCELLED的节点
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // 获取非CANCELLED的节点的下一个节点，predNext肯定是CANCELLED
    Node predNext = pred.next;

    // 设置当前节点为CANCELLED状态
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // 如果节点在队列尾部，直接移除自己就可以了
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        int ws;
        // 重新维护剩下的链表关系
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            // 唤醒node的下一个节点
            unparkSuccessor(node);
        }
        // help GC
        node.next = node; 
    }
}

总结来说，cancelAcquire就是用来维护链表正常状态的关系，直接看代码认识起来可能还比较模糊，放图：

几个注意点：

1. 如果node为第二个节点的时候，pred == head，唤醒下一个节点next_node，next_node线程会继续在acquireQueued的for循环中执行，调用shouldParkAfterFailedAcquire会重新维护状态，排除node节点
2. 调用if里的逻辑后，可以看到next的prev还指向node，会导致node无法被gc，这一点不用担心，当next调用setHead被设置为head的时候，next的prev会被设置为null，这样node就会被gc

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

以上部分就是acquire的所有部分，建议忘记的园友们可以回到上面重新看一下流程图，再接着稳固一遍。

3.5 release(int arg)

下面开始release的源码解析，相对于acquire来说要简单一些：

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

与acquire一样，tryRelease由实现类自己实现，如果为true，则unpark队列头部的下一个节点。

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 清楚小于0的状态
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    // 如果下一个节点是CANCELLED，则从尾部向头部找距离node最近的非CANCELLED节点
    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;
    }
    // unpark找到的节点
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

至此acuqire-release的部分就此结束了，至于共享模式的代码大同小异，在后面分析信号量的时候会再提及~

四、总结

AQS应该是整个JUC中各个类涉及最多的了，其重要性可想而知，在了解其实现原理后，有助于我们分析其他的代码。最后谢谢各位园友观看，如果有描述不对的地方欢迎指正，与大家共同进步！

参考：Java并发之AQS详解