Java并发——结合CountDownLatch源码、Semaphore源码及ReentrantLock源码来看AQS原理

前言：

　　如果说J.U.C包下的核心是什么？那我想答案只有一个就是AQS。那么AQS是什么呢？接下来让我们一起揭开AQS的神秘面纱

AQS是什么？

　　AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。为什么说它是核心呢？是因为它提供了一个基于FIFO的队列和state变量来构建锁和其他同步装置的基础框架。下面是其底层的数据结构。

AQS的特点

　　1、其内使用Node实现FIFO（FirstInFirstOut）队列。可用于构建锁或者其他同步装置的基础框架
　　2、且利用了一个int类表示状态。在AQS中维护了一个volatile int state，通常表示有线程访问资源的状态，当state>1的时候表示线程重入的数量，主要有三个方法控制：getState()，setState()，CompareAndSetState()。后面的源码分析多用到这几个方法
　　3、使用方法是继承，子类通过继承并通过实现它的方法管理其状态（acquire和release）的方法操纵状态。
　　4、同时实现排它锁和共享锁模式。实际上AQS功能主要分为两类：独占（只有一个线程能执行）和共享（多个线程同时执行），它的子类要么使用独占功能要么使用共享功能，而ReentrantLock是通过两个内部类来实现独占和共享

CountDownLatch如何借助AQS实现计数功能？

　　先来说一下CountDownLatch，CountDownLatch是一个同步辅助类，通过它可以来完成类似阻塞当前线程的功能，即一个或多个线程一起等待，直到其他线程执行的操作完成。要实现上面的功能，CountDownLatch是通过一个给定的原子操作的计数器来实现。调用该类的await()方法的线程会一直处于阻塞状态，直到其他线程调用countDown()方法使得计数器的值变为0之后线程才会执行，这个计数器是不能被重置的。通常这个类会用在程序执行需要等待某个条件完成的场景，比如说并行计算，可将一个数据量很大的计算拆分成一个个子任务，当子任务完成之后，再将最终的结果汇总。每次访问CountDownLatch只能有一个线程，但是这个线程在使用完countDown()方法之后能多个线程能继续运行，而调用await()方法的线程就一定要计数器为0才会运行

　　下面来分析CountDownLatch的源码以及如何使用AQS框架

public class CountDownLatch {
    /**
     * CountDownLatch 实现同步控制
     * 底层是使用AQS的state来代表count
     */
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 4982264981922014374L;
        //初始化内部类实际上是设置AQS的state
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }

        int getCount() {
            return getState();
        }
        //尝试获取共享是看当前的state是否为0
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }
        /*尝试释放共享锁则是递减计数直到state==0就返回false代表资源已经释放完全否则就会使用CAS来让state减一*/
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {

            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }
    }

    private final Sync sync;

    /**
     * 初始化CountDownLatch，实际上是初始化内部类，实际上是设置AQS的state，count不能小于0
     */
    public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }

    /**
     * 这里实际上是调用了AQS里的acquireSharedInterruptibly方法，完成的功能就是先去查看线程是否被中断，中断则抛出异常，没有被中断就会尝试获取共享资源。
     * 注意在syn内部类中重写了tryAcquireShared，也就是当state为0就返回1，这时候就会将当前线程放入AQS的队列中去，也就是这时候线程可以不再阻塞而是尝试去获取锁
     */
    public void await() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    /**
     * 原理同上面方法，但是加了一个时间参数来设置等待的时间
     */
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 这里传入参数为1，同样上面内部类一样重写了AQS的tryReleaseShared方法，使用这个重写的方法来让计数器原子操作的减一
     */
    public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    /**
     * 就是获取AQS的state
     */
    public long getCount() {
        return sync.getCount();
    }

    /**
     * 转换成字符串的方法
     */
    public String toString() {
        return super.toString() + "[Count = " + sync.getCount() + "]";
    }
}    

　　由上面代码可看见CountDownLatch实现了AQS的共享锁，原理是操作state来实现计数，并且重写了tryAcquireShared()，tryReleaseShared()等方法

Semaphore是如何借助AQS实现控制并发访问线程个数？

　　Semaphore的功能类似于操作系统的信号量，可以很方便的控制某个资源同时被几个线程访问，即做并发访问控制，与CountDownLatch类似，同样是实现获取和释放两个方法。Semaphore的使用场景：常用于仅能提供访问的资源，比如数据库的连接数最大只有30，而应用程序的并发数可能远远大于30，这时候就可以使用Semaphore来控制同时访问的线程数。当Semaphore控制线程数到1的时候就和我们单线程一样了。同样Semaphore说是信号量的意思，我们这里就可以把它理解为十字路口的红绿灯，可以控制车流量（这里是控制线程数）

下面来分析Semaphore的源码以及如何使用AQS框

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -3222578661600680210L;
    /** 所有机制都通过AbstractQueuedSynchronizer子类实现 */
    private final Sync sync;

    /**
     * 同样是通过内部类来实现AQS主要功能，使用state来表示许可证数量
     */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }

        final int getPermits() {
            return getState();
        }
       /*
        * 不公平的获取方式，会有一个抢占锁的情况，即线程执行顺序会乱
        */
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
       /*
        * 释放资源
        */
        protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }

        final void reducePermits(int reductions) {
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current - reductions;
                if (next > current) // underflow
                    throw new Error("Permit count underflow");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return;
            }
        }

        final int drainPermits() {
            for (;;) {
                int current = getState();
                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                    return current;
            }
        }
    }

    /**
     * 不公平的sync版本，使用的就是sync定义的不公平锁
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

        NonfairSync(int permits) {
            super(permits);
        }

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }
    }

    /**
     * 公平版本，获取锁的线程顺序就是线程启动的顺序。具体是使用hasQueuedPredecessors()方法判断“当前线程”是不是CLH队列中的第一个线程。
     * 若不是的话，则返回-1，是就设置获取许可证，并检查许可证数量是否足够
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

        FairSync(int permits) {
            super(permits);
        }

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    }

    /**
     * 默认使用不公平的版本，如果需要公平的，则需要两个参数
     */
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

    /**
     * 分析同CountDownLatch中的类似方法，具体的实现都是内部类中的获取方法，这里是获取一个许可
     */
    public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    /**
     *功能同上，但是这里不会检测线程是否被中断
     */
    public void acquireUninterruptibly() {
        sync.acquireShared(1);
    }

    /**
     * 尝试获取
     */
    public boolean tryAcquire() {
        return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
    }

    /**
     * 在一段时间内一直尝试获取许可
     */
    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 当前线程释放一个许可证
     */
    public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    /**
     * 可以规定一个线程获得许可证的数量
     */
    public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
    }

    public void acquireUninterruptibly(int permits) {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.acquireShared(permits);
    }

    public boolean tryAcquire(int permits) {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
    }

    public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
    }

    /**
     * 同样可以规定一个线程释放许可证的数量
     */
    public void release(int permits) {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.releaseShared(permits);
    }

    /**
     * 当前的许可还剩几个
     */
    public int availablePermits() {
        return sync.getPermits();
    }

    /**
     * 销毁所有许可
     */
    public int drainPermits() {
        return sync.drainPermits();
    }

    protected void reducePermits(int reduction) {
        if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.reducePermits(reduction);
    }

    public final boolean hasQueuedThreads() {
        return sync.hasQueuedThreads();
    }

    public final int getQueueLength() {
        return sync.getQueueLength();
    }

    protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
        return sync.getQueuedThreads();
    }
 public String toString() {
        return super.toString() + "[Permits = " + sync.getPermits() + "]";
    }}

　　上面对于Semaphore的一些重要内部类和常用方法进行了解释，与CountDownLatch很类似，实现的都是共享的功能，即Semaphore允许得到许可证的线程同时执行，而CountDownLatch允许调用countDown()方法的线程同时执行。并且都是通过内部类实现的。相信看到这里，你能越来越看见AQS为什么被称作JUC包的核心。下面就来介绍一下ReentrantLock

ReentrantLock是如何借助AQS实现锁机制

　　ReentrantLock是可重入锁，前面博客中写到synchronized实现的锁也是可重入的。不过synchronized是基于JVM指令实现，而ReentrantLock是使用Java代码实现的。ReentrantLock重点就是需要我们手动声明加锁和释放锁，如果手工忘记释放锁，很有可能就会导致死锁，即资源永远都被锁住，其他线程无法得到，当前线程也释放不出去。ReentrantLock实现的是自旋锁，通过循环调用CAS操作实现加锁，避免了线程进入内核态的阻塞状态，所以性能较好。ReentrantLock内部同样实现了公平锁和非公平锁。事实上Synchronized能做的ReentrantLock都能做，但是反过来就不一样了、

　　经过前面的源码分析我们发现核心的都在当前类的内部类里，而当前类的一些方法不过是使用的内部类以及AQS的方法罢了，所以下面我们就来分析ReentrantLock中的三个内部类。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    /** 同步的机制都是通过内部类来实现的 */
    private final Sync sync;

    /**
     * 在ReentrantLock中state表示的是线程重入锁的次数，当state为0时才能释放锁
     */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;

        /**
         * 这个抽象方法提供给公平锁和不公平锁来单独实现，父类不实现
         */
        abstract void lock();

        /**
         * 首先得到当前线程，而后获取state，如果state为0，也就是没有线程获得当前锁，那么就设置当前线程拥有当前锁的独占访问权，并且返回true。
         * 如果state不为0，那么就看当前线程是否是已经获得过锁的线程，如果是就让state+=acquire，acquire一般是1，即表示线程重入并且返回true。
         * 上面两个条件都不满足就代表是锁被其他线程获取了，当前线程获取不到，所以返回false
         */
        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;
        }
        /**
         * 先判断当前线程等不等于拥有锁的线程，不等于就会抛异常，也就是释放不了。
         * 等于之后就看state-releases是否为0，当为0的时候就代表释放完全。
         * 可以设置锁的状态为没有线程拥有，从而让锁能被其他线程竞争，否则就设置state，代表线程重入该锁，并且线程还没释放完全。
         */
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }
        /*
         *该方法检验当前线程是否是锁的独占者
         */
        protected final boolean isHeldExclusively() {
            return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
        }
        /*
         *该方法是创建一个条件锁，本文不做具体分析
         */
        final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }

        // Methods relayed from outer class

        final Thread getOwner() {
            return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
        }

        final int getHoldCount() {
            return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
        }

        final boolean isLocked() {
            return getState() != 0;
        }

        /**
         * 使得该类从流中能重构实例，并且会重置为解锁状态
         */
        private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
            throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
            s.defaultReadObject();
            setState(0);
        }
    }

    /**
     * Sync 的不公平版本
     */
    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * 将state从0更新到1成功的话就让当前线程获取锁，否则就会尝试获得锁和获取当前节点的前一节点，并判断这一个节点是否为头节点，即当前线程是不是头节点的直接后继。
         * 如果两个中有一个失败则线程中断，进入阻塞状态
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

    /**
     * Sync 的公平版本
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
        /**
        * 尝试获得锁和获取当前节点的前一节点，并判断这一个节点是否为头节点，即当前线程是不是头节点的直接后继，如果两个中有一个失败则线程中断，进入阻塞状态。
        * 也就是一定按照队列中线程的顺序来实现
        */
        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        /**
         * 跟不公平的版本相比其实是在state为0的时候检查当前线程是不是在队列的头部节点的直接后继，来达到公平的概念
         */
        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;
        }
    }
}

　　ReentrantLock和上面两个类最不同的莫过于ReentrantLock使用的是独占功能，即每次只能有一个线程来获取ReentrantLock类。ReentrantLock类下还有很多方法，这里就不一一介绍，但是本质都是内部类中的实现以及AQS的一些调用

总结：

　　AQS只是一个基础的框架，里面最核心的就是维护了state变量和CHL队列，而其他的类全部都是通过继承的方法进行扩展，虽然没有直接说源码，但是通过上面三个主要类的源码分析再去看AQS已经不是难事。继承主要改变的就是获取和释放的方法，通过这两个方法来对state和队列进行操作达到我们能够进行的并发控制的功能，事实上J.U.C包下的类和能够实现的功能远不止这三个，后面会选择重点的来介绍。