Java并发指南7：JUC的核心类AQS详解

一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer

转自https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer#toc4

在分析 Java 并发包 java.util.concurrent 源码的时候，少不了需要了解 AbstractQueuedSynchronizer（以下简写AQS）这个抽象类，因为它是 Java 并发包的基础工具类，是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。

Google 一下 AbstractQueuedSynchronizer，我们可以找到很多关于 AQS 的介绍，但是很多都没有介绍清楚，因为大部分文章没有把其中的一些关键的细节说清楚。

本文将从 ReentrantLock 的公平锁源码出发，分析下 AbstractQueuedSynchronizer 这个类是怎么工作的，希望能给大家提供一些简单的帮助。

申明以下几点：

1. 本文有点长，但是很简单很简单很简单，主要面向读者对象为并发编程的初学者，或者想要阅读java并发包源码的开发者。
2. 建议在电脑上阅读，如果你想好好地理解所有的细节，而且你从来没看过相关的分析，你可能至少需要 20 分钟仔细看所有的描述，本文后面的 1/3 以上很简单，前面的 1/4 更简单，中间的部分要好好看。
3. 如果你不知道为什么要看这个，我想告诉你，即使你看懂了所有的细节，你可能也不能把你的业务代码写得更好
4. 源码环境 JDK1.7，看到不懂或有疑惑的部分，最好能自己打开源码看看。Doug Lea 大神的代码写得真心不错。
5. 有很多英文注释我没有删除，这样读者可以参考着英文说的来，万一被我忽悠了呢
6. 本文不分析共享模式，这样可以给读者减少很多负担，只要把独占模式看懂，共享模式读者应该就可以顺着代码看懂了。而且也不分析 condition 部分，所以应该说很容易就可以看懂了。
7. 本文大量使用我们平时用得最多的 ReentrantLock 的概念，本质上来说是不正确的，读者应该清楚，AQS 不仅仅用来实现锁，只是希望读者可以用锁来联想 AQS 的使用场景，降低读者的阅读压力
8. ReentrantLock 的公平锁和非公平锁只有一点点区别，没有任何阅读压力
9. 你需要提前知道什么是 CAS(CompareAndSet)

废话结束，开始。

CLH队列

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

AQS内部维护着一个FIFO队列，该队列就是CLH同步队列。

CLH同步队列是一个FIFO双向队列，AQS依赖它来完成同步状态的管理，当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。

在CLH同步队列中，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用（thread）、状态（waitStatus）、前驱节点（prev）、后继节点（next），其定义如下：

static final class Node {
    /** 共享 */
    static final Node SHARED = new Node();

    /** 独占 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 因为超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会参与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其他状态；
     */
    static final int CANCELLED =  1;

    /**
     * 后继节点的线程处于等待状态，而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行
     */
    static final int SIGNAL    = -1;

    /**
     * 节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了signal()后，改节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
     */
    static final int CONDITION = -2;

    /**
     * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    /** 等待状态 */
    volatile int waitStatus;

    /** 前驱节点 */
    volatile Node prev;

    /** 后继节点 */
    volatile Node next;

    /** 获取同步状态的线程 */
    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() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) {
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
} final class Node {
    /** 共享 */
    static final Node SHARED = new Node();

    /** 独占 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 因为超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会参与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其他状态；
     */
    static final int CANCELLED =  1;

    /**
     * 后继节点的线程处于等待状态，而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行
     */
    static final int SIGNAL    = -1;

    /**
     * 节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了signal()后，改节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
     */
    static final int CONDITION = -2;

    /**
     * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    /** 等待状态 */
    volatile int waitStatus;

    /** 前驱节点 */
    volatile Node prev;

    /** 后继节点 */
    volatile Node next;

    /** 获取同步状态的线程 */
    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() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) {
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

CLH同步队列结构图如下：

转存失败重新上传取消​

入列

学了数据结构的我们，CLH队列入列是再简单不过了，无非就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点，当前最后一个节点的next指向当前节点。代码我们可以看看addWaiter(Node node)方法：

    private Node addWaiter(Node mode) {
        //新建Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //快速尝试添加尾节点
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //CAS设置尾节点
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //多次尝试
        enq(node);
        return node;
    }private Node addWaiter(Node mode) {
        //新建Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //快速尝试添加尾节点
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //CAS设置尾节点
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //多次尝试
        enq(node);
        return node;
    }

addWaiter(Node node)先通过快速尝试设置尾节点，如果失败，则调用enq(Node node)方法设置尾节点

    private Node enq(final Node node) {
        //多次尝试，直到成功为止
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //tail不存在，设置为首节点
            if (t == null) {
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                //设置为尾节点
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }private Node enq(final Node node) {
        //多次尝试，直到成功为止
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //tail不存在，设置为首节点
            if (t == null) {
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                //设置为尾节点
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

在上面代码中，两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点，该方法可以确保节点是线程安全添加的。在enq(Node node)方法中，AQS通过“死循环”的方式来保证节点可以正确添加，只有成功添加后，当前线程才会从该方法返回，否则会一直执行下去。

过程图如下：

转存失败重新上传取消​

出列

CLH同步队列遵循FIFO，首节点的线程释放同步状态后，将会唤醒它的后继节点（next），而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点，这个过程非常简单，head执行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev即可，注意在这个过程是不需要使用CAS来保证的，因为只有一个线程能够成功获取到同步状态。过程图如下：

转存失败重新上传取消​

AQS 结构

先来看看 AQS 有哪些属性，搞清楚这些基本就知道 AQS 是什么套路了，毕竟可以猜嘛！

// 头结点，你直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点，每个新的节点进来，都插入到最后，也就形成了一个隐视的链表
private transient volatile Node tail;
// 这个是最重要的，不过也是最简单的，代表当前锁的状态，0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁
// 之所以说大于0，而不是等于1，是因为锁可以重入嘛，每次重入都加上1
private volatile int state;
// 代表当前持有独占锁的线程，举个最重要的使用例子，因为锁可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次，所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer

怎么样，看样子应该是很简单的吧，毕竟也就四个属性啊。

AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意如下所示，注意了，之后分析过程中所说的 queue，也就是阻塞队列不包含 head，不包含 head，不包含 head。

转存失败重新上传取消​

等待队列中每个线程被包装成一个 node，数据结构是链表，一起看看源码吧：

static final class Node {
    /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
    // 标识节点当前在共享模式下
    static final Node SHARED = new Node();
    /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
    // 标识节点当前在独占模式下
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    // ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
    /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
    // 代码此线程取消了争抢这个锁
    static final int CANCELLED =  1;
    /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
    // 官方的描述是，其表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒
    static final int SIGNAL    = -1;
    /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
    // 本文不分析condition，所以略过吧，下一篇文章会介绍这个
    static final int CONDITION = -2;
    /**
     * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
     * unconditionally propagate
     */
    // 同样的不分析，略过吧
    static final int PROPAGATE = -3;
    // =====================================================

    // 取值为上面的1、-1、-2、-3，或者0(以后会讲到)
    // 这么理解，暂时只需要知道如果这个值 大于0 代表此线程取消了等待，
    // 也许就是说半天抢不到锁，不抢了，ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
    volatile int waitStatus;
    // 前驱节点的引用
    volatile Node prev;
    // 后继节点的引用
    volatile Node next;
    // 这个就是线程本尊
    volatile Thread thread;

}

Node 的数据结构其实也挺简单的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性而已，大家先要有这个概念在心里。

上面的是基础知识，后面会多次用到，心里要时刻记着它们，心里想着这个结构图就可以了。下面，我们开始说 ReentrantLock 的公平锁。多嘴一下，我说的阻塞队列不包含 head 节点。

转存失败重新上传取消​

首先，我们先看下 ReentrantLock 的使用方式。

// 我用个web开发中的service概念吧
public class OrderService {
    // 使用static，这样每个线程拿到的是同一把锁，当然，spring mvc中service默认就是单例，别纠结这个
    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);

    public void createOrder() {
        // 比如我们同一时间，只允许一个线程创建订单
        reentrantLock.lock();
        // 通常，lock 之后紧跟着 try 语句
        try {
            // 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程)，
            // 其他的线程在lock()方法上阻塞，等待获取到锁，再进来
            // 执行代码...
            // 执行代码...
            // 执行代码...
        } finally {
            // 释放锁
            reentrantLock.unlock();
        }
    }
}

ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁，所以真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

}

Sync 有两个实现，分别为 NonfairSync（非公平锁）和 FairSync（公平锁），我们看 FairSync 部分。

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

线程抢锁

很多人肯定开始嫌弃上面废话太多了，下面跟着代码走，我就不废话了。

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
      // 争锁
    final void lock() {
        acquire(1);
    }
      // 来自父类AQS，我直接贴过来这边，下面分析的时候同样会这样做，不会给读者带来阅读压力
    // 我们看到，这个方法，如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
    // 否则，acquireQueued方法会将线程压到队列中
    public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
        // 首先调用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，这个只是试一试
        // 因为有可能直接就成功了呢，也就不需要进队列排队了，
        // 对于公平锁的语义就是：本来就没人持有锁，根本没必要进队列等待(又是挂起，又是等待被唤醒的)
        if (!tryAcquire(arg) &&
            // tryAcquire(arg)没有成功，这个时候需要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
              selfInterrupt();
        }
    }

    /**
     * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
     * recursive call or no waiters or is first.
     */
    // 尝试直接获取锁，返回值是boolean，代表是否获取到锁
    // 返回true：1.没有线程在等待锁；2.重入锁，线程本来就持有锁，也就可以理所当然可以直接获取
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // state == 0 此时此刻没有线程持有锁
        if (c == 0) {
            // 虽然此时此刻锁是可以用的，但是这是公平锁，既然是公平，就得讲究先来后到，
            // 看看有没有别人在队列中等了半天了
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                // 如果没有线程在等待，那就用CAS尝试一下，成功了就获取到锁了，
                // 不成功的话，只能说明一个问题，就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 =_=
                // 因为刚刚还没人的，我判断过了

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