啃透Java并发-AQS详解
上一篇我们解读了LockSupport的源码，其中有提到JUC的一块重要基石是AbstractQueuedSynchronizer类，简称AQS，那么这一篇就正式学习这个类。由于我也是以学代练，肯定有很多地方理解的不够到位，欢迎大家留言讨论哈！还是友情提示，本文的分析的JDK版本是8。
AQS的工作原理概述
为什么要在开篇就介绍AQS的工作原理呢？因为先对一些知识点有个大概了解，可以帮我们在看源码时更容易理解一些，做到有的放矢，事半功倍。
这里我总结了三个比较关键的点，需要我们知道的。
- AQS内部有一个volatile变量state，并且提供了compareAndSetState方法，可以线程安全的修改state的值，不同的需求场景下，state会有不同的意义，粗俗一点说，就是游戏规则我们自己根据需求来定义，只要大家都遵守这个规则，这个游戏就能够玩起来。
- 当竞争锁失败后，其实可以理解为CAS更新state失败，当前线程会被封装进一个Node对象，然后放入一个Node双向队列中，然后调用LockSupport.park，让线程等待。
- 当锁被释放后，AQS会检查队列中是否有线程在等待，如果有，unpark唤醒该线程，并从等待队列中删除对应的Node（将该node设为头结点）。
AQS的实现思路还是很清晰的，使用一个state来维护竞争状态，使用CAS来安全的更新state，获取锁失败的线程进入等待队列unpark，锁被释放后，从队列中唤醒一个线程来继续尝试获取锁。
使用AQS自定义一个Lock类
AQS支持独占和共享二种模式，独占模式相对容易理解一些，光说不练假把式，我们先利用AQS实现一个独占锁SmartLock来加深理解。
public class SmartLock {
private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
if (getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()) return true;
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
} else {
return false;
}
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
setState(0);
setExclusiveOwnerThread(null);
return true;
}
}
private Sync mSync;
public SmartLock() {
mSync = new Sync();
}
public void lock() {
mSync.acquire(1);
}
public void unLock() {
mSync.release(1);
}
}
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我们新建一个内部类Sync继承AQS，重写它的tryAcquire和tryRelease方法，可以理解为它们分别对应独占模式下的尝试获取锁和尝试释放锁，返回true表示成功，false表示失败。
这里我们可以停下来想一下，既然AQS内部有一个state可以利用，那我们可以这样设定游戏规则，state=1时表示锁被占用，state=0表示锁没有被某个线程持有。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
// 先判断当前持有锁的线程是不是本线程，如果是，直接返回true，所以我们这个锁是支持可冲入的
if (getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()) return true;
// CAS的方式更新state，只有当state=0时会成功更新为1
if (compareAndSetState(0, 1)) {
// 当前线程已经获取了锁，设置为Owner thread
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
} else {
// 返回true，当前线程会被加入等待队列中
return false;
}
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
// 状态更新为0，
setState(0);
// Owner thread设置为null
setExclusiveOwnerThread(null);
return true;
}
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我们在SmartLock类中定义二个方法lock和unLock，分别调用acquire和release即可，这里的参数没有用到，传1即可。
public void lock() {
mSync.acquire(1);
}
public void unLock() {
mSync.release(1);
}
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我们用SmartLock来实现一个线程安全的累加器，逻辑很简单就是提供一个increase方法，对counter进行++操作，我们知道++操作不是原子的，所以我们用SmartLock来保证原子性。
public class SmartAdder {
private volatile int counter;
private SmartLock lock;
public SmartAdder() {
lock = new SmartLock();
}
public void increase() {
lock.lock();
try {
counter++;
} finally {
lock.unLock();
}
}
public int getCounter() {
return this.counter;
}
}
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我们写一段测试的case来验证一下，新建了一个固定有20个核心线程的线程池，然后提交了40个累加任务，每个任务循环100000次，这样得到的正确结果应该是4000000。
public static void main(String[] args) {
int threadCount = 20;
int addCount = 100000;
SmartAdder smartAdder = new SmartAdder();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount * 2; i++) {
executorService.submit(() -> {
for (int j = 0; j < addCount; j++) {
smartAdder.increase();
}
countDownLatch.countDown();
});
}
try {
countDownLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("count:" + smartAdder.getCounter());
executorService.shutdown();
}
// 打印结果
count:4000000
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打印就结果验证了我们的SmartLock确实能够正常工作，这样一个简单的互斥锁就完成了，其实也并不复杂嘛！其中CountDonwLatch也是JUC提供的一个并发同步类，关于它的用法后面会详解，这里大家只需要知道await可以让当前线程等待线程池中的任务执行完成即可。
AQS源码解读
有了前面的铺垫，我们现在先看下AQS中独占模式的acquire和release二个方法的具体实现。
独占模式acquire方法源码解读
先看acquire方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
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可以看到acquire是一个final方法，我们没法重写它，但是有预留一个tryAcquire方法让我们重写，我们在上面的SmartLock类中也是重写了tryAcquire该方法，如果tryAcquire返回false，会调用acquireQueued方法，它的参数是addWaiter(Node.EXCLUSIVE)的结果，我们先来具体跟进看一下addWaiter的实现。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 新建一个Node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
// 如果队列的尾标兵tail不为空，将新加入的node插入到队尾，并更新tail
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 如果CAS设置tail成功，直接返回
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 如果tail为空，或者CAS设置tail失败
enq(node);
return node;
}
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这里的思路就是将新建的node插入到队尾，但是由于到考虑到线程安全的问题，采用了CAS更新，如果更新失败，调用enq方法，继续跟进看一下实现。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 如果检查到队列没有初始化，先执行初始化，注意head对头是标兵
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
// 在循环中执行CAS插入尾部操作
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
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所以看下来，addWaiter逻辑也很清晰，就是要将当前线程，封装为node插入到队列尾部。再看下acquireQueued的实现
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 返回node前驱
final Node p = node.predecessor();
// 如果前驱是head，说明当前队列中该线程排在第一顺位，再次调用tryAcquire
// 因为后面调用的parkAndCheckInterrupt会让线程等待，当锁被release时，线程会被unpark
// 所以重新tryAcquire来获取锁，如果获取成功，会将当前node设为头结点，相当于将当前
// node从队列中删除了，因为头结点只是一个标兵，
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
// 这里之所以可以直接将.next置为null，而没有考虑node的next，因为是刚加入的node
// 它在队尾，而又是head的next，说明队列中就它一个，直接将head.next = null就可以了
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 先对head设置waitStatus标示位，然后park线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
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shouldParkAfterFailedAcquire这个方法很有意思，它是将head的waitStatus设为SINGLE，用来标识有任务需要被唤醒，在后面unpark的时候会检查该标识位。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 获取node的pre的waitStatus，
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 如果已经是Node.SIGNAL，可以安全的park，直接返回
return true;
if (ws > 0) {
// 说明pred被取消了，并发时会出现这种情况，因为我们没有加锁
// 继续向前查找waitStatus <= 0的node，
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 将pred的waitStatus设为SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
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再看下parkAndCheckInterrupt这个方法的实现
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
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比较简单，直接调用了LockSupport.park，所以AQS中让线程等待的方式就是park，这也就是为什么我们前一篇文章要分析LockSupport源码的原因。
那么线程park等待了，那当然就要有唤醒，我们看下AQS中release的实现。
独占模式release方法源码解读
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
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同样的AQS中release是一个final方法，不能被重写，我们可以重写tryRelease方法。当head不为空，切waitStatus不为0时，调用unparkSuccessor方法，跟进去看下实现
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 先将waitStatus设为0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 一般需要被唤醒的是node.next，但是如果next的node被取消了，或者waitStatus>0，这时候这里的
// 策略是从尾部开始重新选择一个node来unpark
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)
// unpark唤醒线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
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release的实现相对简单一些，前面介绍tryAcquire失败后，会将当前线程插入到等待队列中时，然后将head的waitStatus置为SINGAL，那么在release时，会先检查这个标识，然后unpark，这里有个小细节，如果head.next被取消了或者waitStatus>0，会从队列的尾部开始往前查找到第一个符合条件的node来unpark。
这里有个细节大家要注意，release只是将队列中第一个满足条件等待的线程唤醒，所以接下来的逻辑还是在acquireQueued方法中，继续尝试调用tryAcquire，如果成功，则会被出队列（当前节点设为头结点），线程继续执行，否则继续等待。
介绍完了独占模式，再来看下共享模式。与独占模式类似，AQS也对共享模式提供了模板方法。分别是acquireShared和releaseShared，它们也都是final的，我们能够重写的方法是tryAcquireShared和tryReleaseShared。
共享模式acquireShared解读
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
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acquireShared先调用了tryAcquireShared方法，如果返回值小于0， doAcquireShared同样构建SHARED类型的Node加入等待队列。这里要提一下，tryAcquireShared方法使我们需要重写的，注意它的返回值是int类型的，而上面我们分析独占模式tryAcquire的返回值是boolean，因为在共享模式下这个返回值需要有三种状态，所以需要是int类型。
- tryAcquireShared < 0，获取共享锁失败
- tryAcquireShared = 0，获取成功，但是不需要唤醒队列中后续的节点
- tryAcquireShared > 0，获取成功，需要唤醒队列中后续的节点
好，我们继续看下doAcquireShared的实现
// 添加当前节点到队列，与独占模式类似，不再赘述
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取node的前驱
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
// 再次尝试获取共享锁
int r = tryAcquireShared(arg);
// 如果获取成功
if (r >= 0) {
// 检查队列中后续的节点，是否需要被唤醒
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// park让线程等待，与独占模式类似，不再赘述
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
setHead(node);
// propagate > 0, 或者 当前头结点或者当前节点node的waitStatus < 0时，调用doReleaseShared
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
复制代码
大部分的逻辑跟独占模式类似，但是多了一个检查后续节点是否需要被唤醒的逻辑。
共享模式releaseShared解读
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
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; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
复制代码
可以看到doReleaseShared是在一个循环中，如果在调用中，head发生了变化，继续循环，否则挑出循环，而在都独占模式下，没有这样的并发问题，所以独占模式下不需要循环，另外干活的就是unparkSuccessor方法，它来唤醒等待的线程，上面在分析独占模式时已经分析过了，这里不再赘述。
总结
文章先是概述了一下AQS的基本实现原理，然后利用AQS实现了一个简单的互斥锁，最后详细分析了AQS中独占和共享二种模式的关键方法的实现。以上。
正文到此结束
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