Java并发核心类AQS
JUC类图
1 定义
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个用来构建锁和同步器的框架，是Java并发包中的核心基础组件。
使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。
如果没有AQS，每个协作工具将需要自己实现同步状态的原子性管理、线程的阻塞与解除阻塞、队列的管理等功能。使用AQS，可以更方便地构建线程协作类，专注于业务逻辑的开发。
2 底层原理
-
状态管理
AQS 通过一个 state 变量来维护同步器的状态。state 变量的含义和使用方式由具体的同步器决定，例如，ReentrantLock 使用 state 表示锁的持有次数。private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性```-
0：表示节点在等待队列中，且无特殊状态。也就是说，节点处于正常等待状态。
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Node.CANCELLED（值为1）：表示节点由于超时或中断被取消。节点在等待过程中，可能由于超时或者中断等原因取消等待，这时 waitStatus 被设置为 CANCELLED。
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Node.SIGNAL（值为-1）：表示后继节点在等待当前节点唤醒。当前节点释放锁的时候，如果有后继节点正在等待，会将后继节点的 waitStatus 设置为 SIGNAL，表示需要唤醒后继节点。
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Node.CONDITION（值为-2）：表示节点在等待队列中，因为等待 condition 条件而被阻塞。当调用 Condition.await 方法时，节点的 waitStatus 会被设置为 CONDITION。
-
Node.PROPAGATE（值为-3）：表示释放共享锁时，无条件唤醒其他节点。PROPAGATE 是为了实现共享模式下的释放锁后唤醒其他节点。
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-
同步队列
AQS 使用一个双向链表来维护等待获取同步状态的线程队列。这个队列通常被称为同步队列（Sync Queue）。在同步队列中，等待线程会被封装成节点（Node）对象，并按照先进先出（FIFO）的顺序排列。AQS 使用 CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列锁的变体来实现同步队列。 CLH队列锁是一种自旋公平锁，当多线程竞争一把锁时，获取不到锁的线程，会排队进入CLH队列的队尾，然后自旋等待，直到其前驱线程释放锁。 -
模板方法
AQS 提供了一些模板方法，例如 tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared、tryReleaseShared 等，这些方法需要具体的同步器去实现。这些模板方法定义了同步器的操作规范，而具体的同步器实现需要根据自身的逻辑来重写这些方法。 -
状态变更和唤醒
当同步状态变更时，AQS 会根据新状态决定是否唤醒等待队列中的线程。唤醒操作通常包括将一个或多个节点从等待队列移动到同步队列，并使其重新参与竞争。 -
Condition 对象
AQS 支持 Condition 对象，用于在同步器上创建具有不同等待条件的线程组。Condition 的实现通常依赖于 AQS 的底层机制。
3 AQS对资源共享方式的定义
-
独占(Exclusive)
只有一个线程能获取锁执行，如读写锁中的写锁ReentrantReadWriteLock.WriteLock、可重入锁ReentrantLock等。- 公平
按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁 - 非公平
当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁
- 公平
-
共享(Share)
多个线程可同时获取锁执行，，如读写锁中的读锁ReentrantReadWriteLock.ReadLock。
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已经已经实现了。
4 自定义同步器
AQS使用了模板方法设计模式，仅开发了以下方法的重写，其他方法都用final进行了修饰。
使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法，实现对于共享资源state的获取和释放即可。
isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//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(int)//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。
以ReentrantLock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。
compareAndSetState 法就是利用了Unsafe.compareAndSwapInt 方法来实现对锁的获取，是一个原子性的操作。
5. AQS数据结构
AbstractQueuedSynchronizer类底层的数据结构是使用CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系)。
AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。
-
Sync queue
即同步队列，是双向链表，包括head结点和tail结点，head结点主要用作后续的调度。 -
Condition queue
不是必须的，其是一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单向链表。并且可能会有多个Condition queue。
6. 类的继承关系
AbstractQueuedSynchronizer继承自AbstractOwnableSynchronizer，而以下实现类又继承自AbstractQueuedSynchronizer。
//待补充一个IDEA实现类截图。
6.1 AbstractOwnableSynchronizer抽象类
AbstractOwnableSynchronizer抽象类的源码如下。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
// 版本序列号
private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;
// 独占模式下的线程
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
// 构造方法
protected AbstractOwnableSynchronizer() {
}
// 获取独占线程
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
// 设置独占线程
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
}
AbstractOwnableSynchronizer抽象类中，可以设置独占资源线程和获取独占资源线程。
6.2 AbstractQueuedSynchronizer抽象类
AbstractQueuedSynchronizer类有两个静态内部类，分别为Node类与ConditionObject类。
6.2.1 Node类
static final class Node {
// 模式，分为共享与独占
// 共享模式
static final Node SHARED = new Node();
// 独占模式
static final Node EXCLUSIVE = null;
// 结点状态常量
// 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁
// CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消
// SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，可以通过unpark(Thread thread)指定唤醒
// CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中
// PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
// 结点状态
volatile int waitStatus;
// 前驱结点
volatile Node prev;
// 后继结点
volatile Node next;
// 结点所对应的线程
volatile Thread thread;
// 下一个等待者
Node nextWaiter;
// 结点是否在共享模式下等待
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
// 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常
final Node predecessor() throws NullPointerException {
// 保存前驱结点
Node p = prev;
if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常
throw new NullPointerException();
else // 前驱结点不为空，返回
return p;
}
// 无参构造方法
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}
// 构造方法
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
// 构造方法
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
6.2.2 ConditionObject类
Condition接口
public interface Condition {
// 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
void await() throws InterruptedException;
// 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断
void awaitUninterruptibly();
//等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
// 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
// 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。
void signal();
// 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。
void signalAll();
}
ConditionObject类
// 内部类
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
// 版本号
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
/** First node of condition queue. */
// condition队列的头节点
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
// condition队列的尾结点
private transient Node lastWaiter;
/**
* Creates a new {@code ConditionObject} instance.
*/
// 构造方法
public ConditionObject() { }
// Internal methods
/**
* Adds a new waiter to wait queue.
* @return its new wait node
*/
// 添加新的waiter到wait队列
private Node addConditionWaiter() {
// 保存尾结点
Node t = lastWaiter;
// If lastWaiter is cancelled, clean out.
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { // 尾结点不为空，并且尾结点的状态不为CONDITION
// 清除状态为CONDITION的结点
unlinkCancelledWaiters();
// 将最后一个结点重新赋值给t
t = lastWaiter;
}
// 新建一个结点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
if (t == null) // 尾结点为空
// 设置condition队列的头节点
firstWaiter = node;
else // 尾结点不为空
// 设置为节点的nextWaiter域为node结点
t.nextWaiter = node;
// 更新condition队列的尾结点
lastWaiter = node;
return node;
}
/**
* Removes and transfers nodes until hit non-cancelled one or
* null. Split out from signal in part to encourage compilers
* to inline the case of no waiters.
* @param first (non-null) the first node on condition queue
*/
private void doSignal(Node first) {
// 循环
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) // 该节点的nextWaiter为空
// 设置尾结点为空
lastWaiter = null;
// 设置first结点的nextWaiter域
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null); // 将结点从condition队列转移到sync队列失败并且condition队列中的头节点不为空，一直循环
}
/**
* Removes and transfers all nodes.
* @param first (non-null) the first node on condition queue
*/
private void doSignalAll(Node first) {
// condition队列的头节点尾结点都设置为空
lastWaiter = firstWaiter = null;
// 循环
do {
// 获取first结点的nextWaiter域结点
Node next = first.nextWaiter;
// 设置first结点的nextWaiter域为空
first.nextWaiter = null;
// 将first结点从condition队列转移到sync队列
transferForSignal(first);
// 重新设置first
first = next;
} while (first != null);
}
/**
* Unlinks cancelled waiter nodes from condition queue.
* Called only while holding lock. This is called when
* cancellation occurred during condition wait, and upon
* insertion of a new waiter when lastWaiter is seen to have
* been cancelled. This method is needed to avoid garbage
* retention in the absence of signals. So even though it may
* require a full traversal, it comes into play only when
* timeouts or cancellations occur in the absence of
* signals. It traverses all nodes rather than stopping at a
* particular target to unlink all pointers to garbage nodes
* without requiring many re-traversals during cancellation
* storms.
*/
// 从condition队列中清除状态为CANCEL的结点
private void unlinkCancelledWaiters() {
// 保存condition队列头节点
Node t = firstWaiter;
Node trail = null;
while (t != null) { // t不为空
// 下一个结点
Node next = t.nextWaiter;
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { // t结点的状态不为CONDTION状态
// 设置t节点的nextWaiter域为空
t.nextWaiter = null;
if (trail == null) // trail为空
// 重新设置condition队列的头节点
firstWaiter = next;
else // trail不为空
// 设置trail结点的nextWaiter域为next结点
trail.nextWaiter = next;
if (next == null) // next结点为空
// 设置condition队列的尾结点
lastWaiter = trail;
}
else // t结点的状态为CONDTION状态
// 设置trail结点
trail = t;
// 设置t结点
t = next;
}
}
// public methods
/**
* Moves the longest-waiting thread, if one exists, from the
* wait queue for this condition to the wait queue for the
* owning lock.
*
* @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
* returns {@code false}
*/
// 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
throw new IllegalMonitorStateException();
// 保存condition队列头节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null) // 头节点不为空
// 唤醒一个等待线程
doSignal(first);
}
/**
* Moves all threads from the wait queue for this condition to
* the wait queue for the owning lock.
*
* @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
* returns {@code false}
*/
// 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。
public final void signalAll() {
if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
throw new IllegalMonitorStateException();
// 保存condition队列头节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null) // 头节点不为空
// 唤醒所有等待线程
doSignalAll(first);
}
/**
* Implements uninterruptible condition wait.
* <ol>
* <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
* <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
* throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
* <li> Block until signalled.
* <li> Reacquire by invoking specialized version of
* {@link #acquire} with saved state as argument.
* </ol>
*/
// 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断
public final void awaitUninterruptibly() {
// 添加一个结点到等待队列
Node node = addConditionWaiter();
// 获取释放的状态
int savedState = fullyRelease(node);
boolean interrupted = false;
while (!isOnSyncQueue(node)) { //
// 阻塞当前线程
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断
// 设置interrupted状态
interrupted = true;
}
if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) //
selfInterrupt();
}
/*
* For interruptible waits, we need to track whether to throw
* InterruptedException, if interrupted while blocked on
* condition, versus reinterrupt current thread, if
* interrupted while blocked waiting to re-acquire.
*/
/** Mode meaning to reinterrupt on exit from wait */
private static final int REINTERRUPT = 1;
/** Mode meaning to throw InterruptedException on exit from wait */
private static final int THROW_IE = -1;
/**
* Checks for interrupt, returning THROW_IE if interrupted
* before signalled, REINTERRUPT if after signalled, or
* 0 if not interrupted.
*/
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
return Thread.interrupted() ?
(transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
0;
}
/**
* Throws InterruptedException, reinterrupts current thread, or
* does nothing, depending on mode.
*/
private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
throws InterruptedException {
if (interruptMode == THROW_IE)
throw new InterruptedException();
else if (interruptMode == REINTERRUPT)
selfInterrupt();
}
public final void await() throws InterruptedException {
////表示await允许被中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//创建一个新的节点，节点状态为 condition，采用的数据结构仍然是链表
Node node = addConditionWaiter();
//释放当前的锁，得到锁的状态，并唤醒AQS队列中的一个线程
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
//如果当前节点没有在同步队列上，即还没有被signal，则将当前线程阻塞
//判断这个节点是否在AQS队列上，第一次判断的是false，因为前面已经释放锁了
while (!isOnSyncQueue(node)) {
//通过park挂起当前线程
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
// 当这个线程醒来,会尝试拿锁, 当acquireQueued返回false就是拿到锁了.
// interruptMode != THROW_IE -> 表示这个线程没有成功将node入队,但signal执行了enq方法让其入队了.
// 将这个变量设置成 REINTERRUPT.
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
// 如果node的下一个等待者不是null, 则进行清理,清理Condition队列上的节点.
// 如果是null,就没有什么好清理的了.
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
// 如果线程被中断了,需要抛出异常.或者什么都不做
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
/**
* Implements timed condition wait.
* <ol>
* <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
* <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
* <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
* throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
* <li> Block until signalled, interrupted, or timed out.
* <li> Reacquire by invoking specialized version of
* {@link #acquire} with saved state as argument.
* <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
* </ol>
*/
// 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
if (nanosTimeout <= 0L) {
transferAfterCancelledWait(node);
break;
}
if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
return deadline - System.nanoTime();
}
/**
* Implements absolute timed condition wait.
* <ol>
* <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
* <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
* <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
* throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
* <li> Block until signalled, interrupted, or timed out.
* <li> Reacquire by invoking specialized version of
* {@link #acquire} with saved state as argument.
* <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
* <li> If timed out while blocked in step 4, return false, else true.
* </ol>
*/
// 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
public final boolean awaitUntil(Date deadline)
throws InterruptedException {
long abstime = deadline.getTime();
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
boolean timedout = false;
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
timedout = transferAfterCancelledWait(node);
break;
}
LockSupport.parkUntil(this, abstime);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
return !timedout;
}
/**
* Implements timed condition wait.
* <ol>
* <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
* <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
* <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
* throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
* <li> Block until signalled, interrupted, or timed out.
* <li> Reacquire by invoking specialized version of
* {@link #acquire} with saved state as argument.
* <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
* <li> If timed out while blocked in step 4, return false, else true.
* </ol>
*/
// 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于: awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
boolean timedout = false;
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
if (nanosTimeout <= 0L) {
timedout = transferAfterCancelledWait(node);
break;
}
if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
return !timedout;
}
// support for instrumentation
/**
* Returns true if this condition was created by the given
* synchronization object.
*
* @return {@code true} if owned
*/
final boolean isOwnedBy(AbstractQueuedSynchronizer sync) {
return sync == AbstractQueuedSynchronizer.this;
}
/**
* Queries whether any threads are waiting on this condition.
* Implements {@link AbstractQueuedSynchronizer#hasWaiters(ConditionObject)}.
*
* @return {@code true} if there are any waiting threads
* @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
* returns {@code false}
*/
// 查询是否有正在等待此条件的任何线程
protected final boolean hasWaiters() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
if (w.waitStatus == Node.CONDITION)
return true;
}
return false;
}
/**
* Returns an estimate of the number of threads waiting on
* this condition.
* Implements {@link AbstractQueuedSynchronizer#getWaitQueueLength(ConditionObject)}.
*
* @return the estimated number of waiting threads
* @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
* returns {@code false}
*/
// 返回正在等待此条件的线程数估计值
protected final int getWaitQueueLength() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int n = 0;
for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
if (w.waitStatus == Node.CONDITION)
++n;
}
return n;
}
/**
* Returns a collection containing those threads that may be
* waiting on this Condition.
* Implements {@link AbstractQueuedSynchronizer#getWaitingThreads(ConditionObject)}.
*
* @return the collection of threads
* @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
* returns {@code false}
*/
// 返回包含那些可能正在等待此条件的线程集合
protected final Collection<Thread> getWaitingThreads() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
ArrayList<Thread> list = new ArrayList<Thread>();
for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
if (w.waitStatus == Node.CONDITION) {
Thread t = w.thread;
if (t != null)
list.add(t);
}
}
return list;
}
}
6.2.3 AbstractQueuedSynchronizer抽象类
6.2.3.1 属性
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
// 版本号
private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L;
// 头节点
private transient volatile Node head;
// 尾结点
private transient volatile Node tail;
// 状态
private volatile int state;
// 自旋时间
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;
// Unsafe类实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// state内存偏移地址
private static final long stateOffset;
// head内存偏移地址
private static final long headOffset;
// state内存偏移地址
private static final long tailOffset;
// tail内存偏移地址
private static final long waitStatusOffset;
// next内存偏移地址
private static final long nextOffset;
// 静态初始化块
static {
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
headOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
(Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
(Node.class.getDeclaredField("next"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
}
6.2.3.2 构造方法
protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
6.2.3.3 类的核心方法 - acquire方法
该方法以独占模式获取(资源)，忽略中断，即线程在aquire过程中，中断此线程是无效的。源码如下:
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt(); // 实现为Thread.currentThread().interrupt()，重设中断位
}
- 调用tryAcquire方法，调用此方法的线程会试图在独占模式下获取对象状态。此方法应该查询是否允许它在独占模式下获取对象状态，如果允许，则获取它。在AbstractQueuedSynchronizer源码中默认会抛出一个异常，即需要子类去重写此方法完成自己的逻辑。
- 若tryAcquire失败，则调用addWaiter方法，addWaiter方法完成的功能是将调用此方法的线程封装成为一个结点并放入Sync queue。
- 调用acquireQueued方法，此方法完成的功能是Sync queue中的结点不断尝试获取资源，若成功，则返回true，否则，返回false。
6.2.3.3.1 tryAcquire方法
AQS默认抛出UnsupportedOperationException异常，需要子类提供实现。
6.2.3.3.2 addWaiter方法
// 添加等待者
private Node addWaiter(Node mode) {
// 新生成一个结点，默认为独占模式
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 保存尾结点
Node pred = tail;
if (pred != null) { // 尾结点不为空，即已经被初始化
// 将node结点的prev域连接到尾结点
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 比较pred是否为尾结点，是则将尾结点设置为node
// 设置尾结点的next域为node
pred.next = node;
return node; // 返回新生成的结点
}
}
enq(node); // 尾结点为空(即还没有被初始化过)，或者是compareAndSetTail操作失败，则入队列
return node;
}
addWaiter方法使用快速添加的方式往sync queue尾部添加结点，如果sync queue队列还没有初始化，则会使用enq插入队列中，enq方法源码如下
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列
// 保存尾结点
Node t = tail;
if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化
if (compareAndSetHead(new Node())) // 头节点为空，并设置头节点为新生成的结点
tail = head; // 头节点与尾结点都指向同一个新生结点
} else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过
// 将node结点的prev域连接到尾结点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node
// 设置尾结点的next域为node
t.next = node;
return t; // 返回尾结点
}
}
}
}
enq方法会使用无限循环来确保节点的成功插入。
6.2.3.3.3 acquireQueue方法
-
判断结点的前驱是否为head并且是否成功获取(资源)。
-
若成功，则设置结点为head，并且返回中断标志false。
若失败，则判断是否需要park当前线程。park当前线程的逻辑是判断结点的前驱结点的状态是否为SIGNAL。若是，则park当前结点，否则，不进行park操作。并将中断标志置为true。 -
若park了当前线程，之后某个线程对本线程unpark后，并且本线程也获得机会运行。那么，将会继续进行第一步的逻辑。
-
成功获取资源后，走finally判断再次检查是否成功。若失败则取消继续获取资源。
// sync队列中的结点在独占且忽略中断的模式下获取(资源)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标志
boolean failed = true;
try {
// 中断标志
boolean interrupted = false;
for (;;) { // 无限循环
// 获取node节点的前驱结点
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱为头节点并且成功获得锁
setHead(node); // 设置头节点
p.next = null; // help GC
failed = false; // 设置标志
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
针对acquireQueue方法中涉及到的shouldParkAfterFailedAcquire/parkAndCheckInterrupt/cancelAcquire等方法实现，可参考JUC锁:锁核心类AQS讲解。
6.2.3.4 类的核心方法 - release方法
以独占模式释放对象，其源码如下:
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) { // 释放成功
Node h = head; // 保存头节点
if (h != null && h.waitStatus != 0) // 头节点不为空并且头节点状态不为0
unparkSuccessor(h); //清理后继节点的状态，并且找到最前面的一个等待状态小于等于0的节点进行唤醒
return true;
}
return false;
}
6.2.3.4.1 unparkSuccessor方法
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.
*/
// 获取node结点的等待状态
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0) // 状态值小于0，为SIGNAL -1 或 CONDITION -2 或 PROPAGATE -3
// 比较并且设置结点等待状态，设置为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.
*/
// 获取node节点的下一个结点
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) { // 下一个结点为空或者下一个节点的等待状态大于0，即为CANCELLED
// s赋值为空
s = null;
// 从尾结点开始从后往前开始遍历
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0) // 找到等待状态小于等于0的结点，找到最前的状态小于等于0的结点
// 保存结点
s = t;
}
if (s != null) // 该结点不为为空，释放许可
LockSupport.unpark(s.thread);
}
-
int ws = node.waitStatus;：获取当前节点 node 的等待状态 ws。
- 如果等待状态小于0，即 ws < 0，表示可能需要唤醒后继节点，尝试将等待状态清零（compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0)）。
-
获取后继节点 s = node.next;。
- 如果后继节点 s 为空或者其等待状态大于0（即 s.waitStatus > 0），表示后继节点已经被取消（CANCELLED），需要在链表中找到实际的非取消后继节点。
-
从尾节点向前遍历找到最前的等待状态小于等于0的节点，并将其赋值给 s。
- 这样做是为了确保唤醒的是最前面等待的节点，保持公平性。
-
if (s != null)：如果找到了非取消的后继节点，使用 LockSupport.unpark(s.thread); 唤醒该节点对应的线程。
- LockSupport.unpark(thread) 方法用于唤醒指定线程。
这个方法的主要工作就是处理节点的等待状态，找到最前的等待状态小于等于0的节点，并唤醒该节点。这是典型的等待唤醒机制，确保在释放锁的时候能够唤醒等待的线程。
