《Java架构师的第一性原理》24Java基础之并发第2篇AQS

Java并发之AQS

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目录

• 一、AQS是什么？有什么用？
• 二、AQS核心知识
  • 2.1 AQS核心思想
  • 2.2 AQS设计思想
  • 2.3 state状态
  • 2.4 AQS中Node常量含义
  • 2.5 同步队列为什么称为FIFO呢？
  • 2.6 Condition队列
  • 2.7 自定义同步器的实现
• 三 AQS实现细节
  • 3.1 独占模式下的AQS
    • 3.1.1 独占模式获取资源-acquire方法
    • 3.1.2 独占模式获取资源-tryAcquire方法
    • 3.1.3 独占模式获取资源-addWaiter方法
    • 3.1.4 独占模式获取资源-acquireQueued方法
    • 3.1.5 独占模式释放资源-release方法
    • 3.1.6 独占模式释放资源-tryRelease方法
    • 3.1.7 独占模式释放资源-unparkSuccessor
  • 3.2 共享模式下的AQS
    • 3.2.1 共享模式获取资源-acquireShared方法
    • 3.2.2 共享模式获取资源-tryAcquireShared方法
    • 3.2.3 共享模式获取资源-doAcquireShared方法
    • 3.2.4 共享模式释放资源-releaseShared方法
    • 3.2.5 共享模式释放资源-doReleaseShared方法
• 参考资料

一、AQS是什么？有什么用？

AQS全称AbstractQueuedSynchronizer，即抽象的队列同步器，是一种用来构建锁和同步器的框架。

** 基于AQS构建同步器 ** ：

• ReentrantLock
• Semaphore
• CountDownLatch
• ReentrantReadWriteLock
• SynchronusQueue
• FutureTask

** 优势 ** ：

• AQS 解决了在实现同步器时涉及的大量细节问题，例如自定义标准同步状态、FIFO 同步队列。
• 基于 AQS 来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。

二、AQS核心知识

2.1 AQS核心思想

如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。如图所示：

** Sync queue **： 同步队列，是一个双向列表。包括head节点和tail节点。head节点主要用作后续的调度。

** Condition queue **： 非必须，单向列表。当程序中存在cindition的时候才会存在此列表。

2.2 AQS设计思想

• AQS使用一个int成员变量来表示同步状态
• 使用Node实现FIFO队列，可以用于构建锁或者其他同步装置
• AQS资源共享方式：独占Exclusive（排它锁模式）和共享Share（共享锁模式）

AQS它的所有子类中，要么实现并使用了它的独占功能的api，要么使用了共享锁的功能，而不会同时使用两套api，即便是最有名的子类ReentrantReadWriteLock也是通过两个内部类读锁和写锁分别实现了两套api来实现的

2.3 state状态

state状态使用volatile int类型的变量，表示当前同步状态。state的访问方式有三种:

• getState()
• setState()
• compareAndSetState()

2.4 AQS中Node常量含义

• ** CANCELLED ** : waitStatus值为1时表示该线程节点已释放（超时、中断），已取消的节点不会再阻塞。
• ** SIGNAL ** : waitStatus为-1时表示该线程的后续线程需要阻塞，即只要前置节点释放锁，就会通知标识为 SIGNAL 状态的后续节点的线程
• ** CONDITION ** : waitStatus为-2时，表示该线程在condition队列中阻塞（Condition有使用）
• ** PROPAGATE ** : waitStatus为-3时，表示该线程以及后续线程进行无条件传播（CountDownLatch中有使用）共享模式下， PROPAGATE 状态的线程处于可运行状态

2.5 同步队列为什么称为FIFO呢？

因为只有前驱节点是head节点的节点才能被首先唤醒去进行同步状态的获取。当该节点获取到同步状态时，它会清除自己的值，将自己作为head节点，以便唤醒下一个节点。

2.6 Condition队列

除了同步队列之外，AQS中还存在Condition队列，这是一个单向队列。调用ConditionObject.await()方法，能够将当前线程封装成Node加入到Condition队列的末尾，然后将获取的同步状态释放（即修改同步状态的值，唤醒在同步队列中的线程）。

Condition队列也是FIFO。调用ConditionObject.signal()方法，能够唤醒firstWaiter节点，将其添加到同步队列末尾。

2.7 自定义同步器的实现

在构建自定义同步器时，只需要依赖AQS底层再实现共享资源state的获取与释放操作即可。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

• 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，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

三 AQS实现细节

线程首先尝试获取锁，如果失败就将当前线程及等待状态等信息包装成一个node节点加入到FIFO队列中。 接着会不断的循环尝试获取锁，条件是当前节点为head的直接后继才会尝试。如果失败就会阻塞自己直到自己被唤醒。而当持有锁的线程释放锁的时候，会唤醒队列中的后继线程。

3.1 独占模式下的AQS

** 所谓独占模式** ，即只允许一个线程获取同步状态，当这个线程还没有释放同步状态时，其他线程是获取不了的，只能加入到同步队列，进行等待。

很明显，我们可以将state的初始值设为0，表示空闲。当一个线程获取到同步状态时，利用CAS操作让state加1，表示非空闲，那么其他线程就只能等待了。释放同步状态时，不需要CAS操作，因为独占模式下只有一个线程能获取到同步状态。ReentrantLock、CyclicBarrier正是基于此设计的。

例如，ReentrantLock，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。

** 独占模式下的AQS是不响应中断的 ** ，指的是加入到同步队列中的线程，如果因为中断而被唤醒的话，不会立即返回，并且抛出InterruptedException。而是再次去判断其前驱节点是否为head节点，决定是否争抢同步状态。如果其前驱节点不是head节点或者争抢同步状态失败，那么再次挂起。

3.1.1 独占模式获取资源-acquire方法

acquire以独占exclusive方式获取资源。如果获取到资源，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 ** 。源码如下：

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

流程图：

• 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
• 没成功，则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休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。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。

3.1.2 独占模式获取资源-tryAcquire方法

tryAcquire尝试以独占的方式获取资源，如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false，且具体实现由自定义AQS的同步器实现的。

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

3.1.3 独占模式获取资源-addWaiter方法

根据不同模式(Node.EXCLUSIVE互斥模式、Node.SHARED共享模式)创建结点并以CAS的方式将当前线程节点加入到不为空的等待队列的末尾(通过compareAndSetTail()方法)。如果队列为空，通过enq(node)方法初始化一个等待队列，并返回当前节点。

/**
* 参数
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* 返回值
* @return the new node
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
    //将当前线程以指定的模式创建节点node
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    // 获取当前同队列的尾节点
    Node pred = tail;
    //队列不为空，将新的node加入等待队列中
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
         //CAS方式将当前节点尾插入队列中
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //当队列为empty或者CAS失败时会调用enq方法处理
    enq(node);
    return node;
}

其中，队列为empty，使用enq(node)处理，将当前节点插入等待队列，如果队列为空，则初始化当前队列。所有操作都是CAS自旋的方式进行，直到成功加入队尾为止。

private Node enq(final Node node) {
    //不断自旋
    for (;;) {
        Node t = tail;
        //当前队列为empty
        if (t == null) { // Must initialize
         //完成队列初始化操作，头结点中不放数据，只是作为起始标记，lazy-load，在第一次用的时候new
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            //不断将当前节点使用CAS尾插入队列中直到成功为止
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

3.1.4 独占模式获取资源-acquireQueued方法

acquireQueued用于已在队列中的线程以独占且不间断模式获取state状态，直到获取锁后返回。主要流程：

• 结点node进入队列尾部后，检查状态；
• 调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒；
• 被唤醒后，是否获取到锁。如果获取到，head指向当前结点，并返回从入队到获取锁的整个过程中是否被中断过；如果没获取到，继续流程1

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    //是否已获取锁的标志，默认为true 即为尚未
    boolean failed = true;
    try {
        //等待中是否被中断过的标记
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //获取前节点
            final Node p = node.predecessor();
            //如果当前节点已经成为头结点，尝试获取锁（tryAcquire）成功，然后返回
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //shouldParkAfterFailedAcquire根据对当前节点的前一个节点的状态进行判断，对当前节点做出不同的操作
            //parkAndCheckInterrupt让线程进入等待状态，并检查当前线程是否被可以被中断
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        //将当前节点设置为取消状态；取消状态设置为1
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

3.1.5 独占模式释放资源-release方法

release方法是独占exclusive模式下线程释放共享资源的锁。它会调用tryRelease()释放同步资源，如果全部释放了同步状态为空闲（即state=0）,当同步状态为空闲时，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock().

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

3.1.6 独占模式释放资源-tryRelease方法

tryRelease()跟tryAcquire()一样实现都是由自定义定时器以独占exclusive模式实现的。因为其是独占模式，不需要考虑线程安全的问题去释放共享资源，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)。而且tryRelease()的返回值代表着该线程是否已经完成资源的释放，因此在自定义同步器的tryRelease()时，需要明确这条件，当已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

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

ReentrantReadWriteLock的实现：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //减掉相应量的资源(state-=arg)
    int nextc = getState() - releases;
    //是否完全释放资源
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(nextc);
    return free;
}

3.1.7 独占模式释放资源-unparkSuccessor

unparkSuccessor用unpark()唤醒等待队列中最前驱的那个未放弃线程，此线程并不一定是当前节点的next节点，而是下一个可以用来唤醒的线程，如果这个节点存在，调用unpark()方法唤醒。

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //当前线程所在的结点node
    int ws = node.waitStatus;
    //置零当前线程所在的结点状态，允许失败
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //找到下一个需要唤醒的结点
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 从后向前找
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            //从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
         //唤醒
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

3.2 共享模式下的AQS

** 共享模式 ** ，当然是允许多个线程同时获取到同步状态,共享模式下的AQS也是不响应中断的.

很明显，我们可以将state的初始值设为N（N > 0），表示空闲。每当一个线程获取到同步状态时，就利用CAS操作让state减1，直到减到0表示非空闲，其他线程就只能加入到同步队列，进行等待。释放同步状态时，需要CAS操作，因为共享模式下，有多个线程能获取到同步状态。CountDownLatch、Semaphore正是基于此设计的。

例如，CountDownLatch，任务分为N个子线程去执行，同步状态state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）：

3.2.1 共享模式获取资源-acquireShared方法

acquireShared在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。

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

流程：

• 先通过tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
• 失败则通过doAcquireShared()中的park()进入等待队列，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响应)。

3.2.2 共享模式获取资源-tryAcquireShared方法

tryAcquireShared()跟独占模式获取资源方法一样实现都是由自定义同步器去实现。但AQS规范中已定义好tryAcquireShared()的返回值：

• 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。

protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

3.2.3 共享模式获取资源-doAcquireShared方法

doAcquireShared()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。

private void doAcquireShared(int arg) {
    //加入队列尾部
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    //是否成功标志
    boolean failed = true;
    try {
        //等待过程中是否被中断过的标志
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//获取前驱节点
            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，队列寻找一个适合位置，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }   
}

3.2.4 共享模式释放资源-releaseShared方法

releaseShared()用于共享模式下线程释放共享资源，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) {
    //尝试释放资源
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        //唤醒后继结点
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

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。

3.2.5 共享模式释放资源-doReleaseShared方法

doReleaseShared()主要用于唤醒后继节点线程,当state为正数，去获取剩余共享资源；当state=0时去获取共享资源。

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                    //唤醒后继
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        // head发生变化
        if (h == head)
            break;
    }
}

参考资料

• Java并发之AQS全面详解
• 码海：1.5w字，30图带你彻底掌握 AQS！
• 程序员cxuan：我画了35张图，就是为了让你深入理解 AQS