AQS基本原理
什么是AQS？
AQS即AbstractQueuedSynchronizer,是一个用于构建锁和同步器的框架。它能降低构建锁和同步器的工作量，还可以避免处理多个位置上发生的竞争问题。在基于AQS构建的同步器中，只可能在一个时刻发生阻塞，从而降低上下文切换的开销，并提高吞吐量。
AQS支持独占锁（exclusive）和共享锁(share)两种模式。
- 独占锁：只能被一个线程获取到(Reentrantlock)
- 共享锁：可以被多个线程同时获取(CountDownLatch,ReadWriteLock).
无论是独占锁还是共享锁，本质上都是对AQS内部的一个变量state的获取。state是一个原子的int变量，用来表示锁状态、资源数等。
AQS内部的数据结构与原理
AQS内部实现了两个队列，一个同步队列，一个条件队列。
同步队列的作用是：当线程获取资源失败之后，就进入同步队列的尾部保持自旋等待，不断判断自己是否是链表的头节点，如果是头节点，就不断参试获取资源，获取成功后则退出同步队列。
条件队列是为Lock实现的一个基础同步器，并且一个线程可能会有多个条件队列，只有在使用了Condition才会存在条件队列。
同步队列和条件队列都是由一个个Node组成的。AQS内部有一个静态内部类Node。
static final class Node {
static final Node EXCLUSIVE = null;
//当前节点由于超时或中断被取消
static final int CANCELLED = 1;
//表示当前节点的前节点被阻塞
static final int SIGNAL = -1;
//当前节点在等待condition
static final int CONDITION = -2;
//状态需要向后传播
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
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;
}
}
重要方法的源码解析
//独占模式下获取资源
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
acquire(int arg)首先调用tryAcquire(arg)尝试直接获取资源，如果获取成功，因为与运算的短路性质，就不再执行后面的判断，直接返回。tryAcquire(int arg)的具体实现由子类负责。如果没有直接获取到资源，就将当前线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式，使线程在等待队列中自旋等待获取资源，直到获取资源成功才返回。如果线程在等待的过程中被中断过，就返回true，否则返回false。
如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)执行过程中被中断过，那么if语句的条件就全部成立，就会执行 selfInterrupt();方法。因为在等待队列中自旋状态的线程是不会响应中断的，它会把中断记录下来，如果在自旋时发生过中断，就返回true。然后就会执行selfInterrupt()方法，而这个方法就是简单的中断当前线程Thread.currentThread().interrupt();其作用就是补上在自旋时没有响应的中断。
可以看出在整个方法中，最重要的就是 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)。
我们首先看Node addWaiter(Node mode)方法，顾名思义，这个方法的作用就是添加一个等待者，根据之前对AQS中数据结构的分析，可以知道，添加等待者就是将该节点加入等待队列.
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
//尝试快速入队
if (pred != null) { //队列已经初始化
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node; //快速入队成功后，就直接返回了
}
}
//快速入队失败，也就是说队列都还每初始化，就使用enq
enq(node);
return node;
}
//执行入队
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
//如果队列为空，用一个空节点充当队列头
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;//尾部指针也指向队列头
} else {
//队列已经初始化，入队
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;//打断循环
}
}
}
}
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();//拿到node的上一个节点
//前置节点为head，说明可以尝试获取资源。排队成功后，尝试拿锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);//获取成功，更新head节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//尝试拿锁失败后，根据条件进行park
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
//获取资源失败后，检测并更新等待状态
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
//如果前节点取消了，那就往前找到一个等待状态的接待你，并排在它的后面
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
//阻塞当前线程，返回中断状态
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
具体的boolean tryAcquire(int acquires)实现有所不同。
公平锁的实现如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
非公平锁的实现如下：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
park
在AQS的实现中有一个出现了一个park的概念。park即LockSupport.park().它的作用是阻塞当前线程，并且可以调用LockSupport.unpark(Thread)去停止阻塞。它们的实质都是通过UnSafe类使用了CPU的原语。在AQS中使用park的主要作用是，让排队的线程阻塞掉（停止其自旋，自旋会消耗CPU资源），并在需要的时候，可以方便的唤醒阻塞掉的线程。
