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Java并发之AQS源码分析

AQS 全称是 AbstractQueuedSynchronizer，顾名思义，是一个用来构建锁和同步器的框架，它底层用了 CAS 技术来保证操作的原子性，同时运用了 CLH 同步队列作同步器，这也是 ReentrantLock、CountDownLatch 等同步工具实现同步的底层实现机制。它能够成为实现大部分同步需求的基础，也是 J.U.C 并发包同步的核心基础组件。

说是框架，其实就是一个普通的类，它是 Doug Lea 大神的杰作，下面让我们一起学习 Doug Lea 大神是如何用一个普通类就玩转 CAS 解决并发安全问题。

AQS 简介

之前我有介绍过 CAS 原理，AQS 就是建立在它的基础之上，增加了大量的实现细节，例如获取同步状态、FIFO同步队列，独占式锁和共享式锁的获取和释放等等，这些都是 AQS 类提供出来的一些方法。

现在我们来直接定位到类 java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer ，看到类里面有很多注释，我主要将 AQS 类的几个重要字段与方法列出来：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
  extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

    private transient volatile Node head;

    private transient volatile Node tail;

    private volatile int state;

    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

    // ...

 }

head 字段为等待队列的头节点；
tail 字段为等待队列的尾节点；
state 字段为同步状态，其中 state > 0 为有锁状态，每次加锁就在原有state基础上加1，即代表当前持有锁的线程加了 state 次锁，反之解锁时每次减一，当 statte = 0 为无锁状态；
通过 compareAndSetState 方法操作 CAS 更改 state 状态，保证 state 的原子性。

有没有发现，这几个字段都用 volatile 关键字进行修饰，以确保多线程间保证字段的可见性。

同步队列

在分析锁的源码之前，我们先来看看 FIFO 队列的结构：

Java并发之AQS源码分析

用大神的注释来形象地描述一下队列的模型：

/**
  * <pre>
  *      +------+  prev +-----+       +-----+
  * head |      | <---- |     | <---- |     |  tail
  *      +------+       +-----+       +-----+
  * </pre>
  */

这是一个普通双向链表的节点结构，多了 thread 字段用于存储当前线程对象，同时每个节点都有一个 waitStatus 等待状态，一共有四种状态：

CANCELLED（1）：取消状态，如果当前线程的前置节点状态为 CANCELLED，则表明前置节点已经等待超时或者已经被中断了，这时需要将其从等待队列中删除。
SIGNAL（-1）：等待触发状态，如果当前线程的前置节点状态为 SIGNAL，则表明当前线程需要阻塞。
CONDITION（-2）：等待条件状态，表示当前节点在等待condition，即在condition队列中。
PROPAGATE（-3）：状态需要向后传播，表示 releaseShared 需要被传播给后续节点，仅在共享锁模式下使用。

以上解释说明参考官方文档。

可以这么理解：head 节点可以表示成当前持有锁的线程的节点，其余线程竞争锁失败后，会加入到队尾，tail始终指向队列的最后一个节点。

锁

AQS 提供独占锁和共享锁两种模式，独占锁指的是如果有线程获取到锁，那么其它线程只能是获取锁失败，然后进入等待队列中等待被唤醒，而共享锁当有一个线程获取到锁之后，那么它就会依次唤醒等待队列中可以跟它共享的节点，当然这些节点也是共享锁类型。

独占式锁

获取锁

获取独占锁方法：

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

解读：

tryAcquire(arg)
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

基于上面源码的步骤分析后，我们继续往下看源码具体实现：

private Node addWaiter(Node mode) {
  // 创建一个基于当前线程的节点，该节点是 Node.EXCLUSIVE 独占式类型
  Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
  // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
  Node pred = tail;
  // 这里先判断队尾是否为空，如果不为空则直接将节点加入队尾
  if (pred != null) {
    node.prev = pred;
    // 采取 CAS 操作，将当前节点设置为队尾节点，由于采用了 CAS 原子操作，无论并发怎么修改，都有且只有一条线程可以修改成功，其余都将执行后面的enq方法
    if (compareAndSetTail(pred, node)) {
      pred.next = node;
      return node;
    }
  }
  enq(node);
  return node;
}

简单来说 addWaiter(Node mode) 方法做了以下事情：

创建基于当前线程的独占式类型的节点；
将节点加入队尾。

我们继续看 enq(Node node) 方法：

private Node enq(final Node node) {
  // 自旋操作
  for (;;) {
    Node t = tail;
    // 如果队尾节点为空，那么进行CAS操作初始化队列
    if (t == null) { // Must initialize
      if (compareAndSetHead(new Node()))
        tail = head;
    } else {
      node.prev = t;
      // 这一步也是采取CAS操作，将当前节点加入队尾，如果失败的话，自旋继续修改直到成功为止
      if (compareAndSetTail(t, node)) {
        t.next = node;
        return t;
      }
    }
  }
}

从源码可看出， enq(final Node node) 方法主要做了以下事情：

采用自旋机制，这是 aqs 里面很重要的一个机制；
如果队尾节点为空，则初始化队列，将当前节点设置为头节点；
如果队尾节点不为空，则继续采取CAS操作，将当前节点加入队尾，不成功则继续自旋，知道成功为止；

对比了上面两段代码，不难看出，首先是判断队尾是否为空，先进行一次CAS入队操作，如果失败则进入enq(final Node node)方法执行完整的入队操作。

经过上面CAS不断尝试，这时当前节点已经成功加入到队尾了，接下来就到了挂起当前线程的操作了，我们继续往下撕扯源码：

在分析 `acquireQueued(final Node node, int arg)` 方法之前，我们需要明确一点，我们上面也说过，head 节点代表当前持有锁的线程，那么如果当前节点的 pred 节点是 head 节点，很可能此时 head 节点已经释放锁了，所以此时需要再次尝试获取锁。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
  boolean failed = true;
  try {
    // 线程中断标记字段
    boolean interrupted = false;
    for (;;) {
      // 获取当前节点的 pred 节点
      final Node p = node.predecessor();
      // 如果 pred 节点为 head 节点，那么再次尝试获取锁
      if (p == head && tryAcquire(arg)) {
        // 获取锁之后，那么当前节点也就成为了 head 节点
        setHead(node);
        p.next = null; // help GC
        failed = false;
        // 不需要挂起，返回 false
        return interrupted;
      }
      // 获取锁失败，则进入挂起逻辑
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
          parkAndCheckInterrupt())
        interrupted = true;
    }
  } finally {
    if (failed)
      cancelAcquire(node);
  }
}

这一步 acquireQueued(final Node node, int arg) 方法主要做了以下事情：

判断当前节点的 pred 节点是否为 head 节点，如果是，则尝试获取锁；
获取锁失败后，进入挂起逻辑。

接下来继续看挂起逻辑源码：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
  int ws = pred.waitStatus;
  if (ws == Node.SIGNAL)
    // 如果 pred 节点为 SIGNAL 状态，返回true，说明当前节点需要挂起
    return true;
  // 如果ws > 0,说明节点状态为CANCELLED，需要从队列中删除
  if (ws > 0) {
    do {
      node.prev = pred = pred.prev;
    } while (pred.waitStatus > 0);
    pred.next = node;
  } else {
    // 如果是其它状态，则操作CAS统一改成SIGNAL状态
    // 由于这里waitStatus的值只能是0或者PROPAGATE，所以我们将节点设置为SIGNAL，从新循环一次判断
    compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
  }
  return false;
}

这一步 shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) 方法主要做了以下事情：

判断 pred 节点状态，如果为 SIGNAL 状态，则直接返回 true 执行挂起；
删除状态为 CANCELLED 的节点。

通俗来说就是：根据 pred 节点状态来判断当前节点是否可以挂起，如果该方法返回 false，那么挂起条件还没准备好，就会重新进入 `acquireQueued(final Node node, int arg)` 的自旋体，重新进行判断。如果返回 true，那就说明当前线程可以进行挂起操作了，那么就会继续执行挂起，所以我们继续往下看源码：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
  LockSupport.park(this);
  return Thread.interrupted();
}

这步骤就是执行中断最核心的操作了，这里调用了 LockSupport.park(this) 方法，查看官方解析该类的作用是：

LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本 线程阻塞 原语。LockSupport 提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞，LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1，0的开关，默认是0，调用一次unpark就加1变成1，调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0，同时park立即返回。再次调用park会变成block（因为permit为0了，会阻塞在这里，直到permit变为1）, 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累。

（下面的会抽时间补上去）

释放锁

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

private void unparkSuccessor(Node node) {

  int ws = node.waitStatus;
  if (ws < 0)
    compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);


  Node s = node.next;
  if (s == null || s.waitStatus > 0) {
    s = null;
    for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
      if (t.waitStatus <= 0)
        s = t;
  }
  if (s != null)
    LockSupport.unpark(s.thread);
}