AQS

文章目录

一，简介
二，AQS数据结构
三，主要方法源码分析
四，AQS实现类

顶层锁接口
ReentrantLock
ReentrantReadWriteLock

一，简介

AQS是抽象队列同步器

抽象：抽象类，只实现了一些主要逻辑，有些方法由子类实现

队列：使用先进先出队列存储数据

同步：可以实现同步功能

AQS是用来构建锁和同步器的框架，JUC包中很多同步工具类都基于AQS实现

二，AQS数据结构

AQS内部使用一个volatile变量state来作为资源的标识，同时定义了几个获取和修改state的protectd方法，子类可以覆盖这些方法来实现自己的逻辑

protected final int getState()
protected final void setState(int newState) 
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update)

这三个方法都是原子操作，其中compareAndSetState方法底层依靠的是CAS来保证原子更新

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

AQS内部维护了一个等待获取同步状态的队列：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6TNl39yz-1595237478449)(https://gblobscdn.gitbook.com/assets%2F-L_5HvtIhTFW9TQlOF8e%2F-L_5TIKcBFHWPtY3OwUo%2F-L_5TJQjOPACL_iNG1yE%2FAQS%E6%95%B0%E6%8D%AE%E7%BB%93%E6%9E%84.png?alt=media)]

    static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;

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

        /**
         * 阻塞队列前驱节点
         */
        volatile Node prev;

        /**
		* 阻塞队列的后继节点
         */
        volatile Node next;

        /**
         * 当前节点封装的线程
         */
        volatile Thread thread;

		/**
		 * 等待队列的后继节点
		 */
        Node nextWaiter;

        /**
         *判断是否是共享锁模式
         */
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

        /**
         * 返回当前节点的前驱节点
         * @return the predecessor of this node
         */
        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;
        }
    }

看源码的过程中发现了节点有几个状态：

在这里插入图片描述

资源共享模式

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共享模式：资源可以同时被多个线程获取，具体的资源数可以通过参数设定，具体实现：Semaphore/CountDownLatch。
独占模式：资源只能同一时间被一个线程获取

AQS内部维护了两个队列，一个是同步队列，一个是等待队列

三，主要方法源码分析

AQS的设计基于模板方法设计模式，有一些方案必须要子类去实现，AQS中没有实现

    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
	// 是否独占锁
    protected boolean isHeldExclusively() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

对于加锁和解锁，AQS实现了一系列主要的逻辑：但是具体细节需要子类去实现

获取资源

尝试去非阻塞的获取同步状态，获取不到同步状态后封装为节点链接入同步队列自选等待获取锁

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
	// 链接入同步队列
    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 尾节点CAS插入
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 如果等待队列为空或者上述CAS失败，再自旋CAS插入
        enq(node);
        return node;
    }

    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            // 只有一个节点的情况
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                // 插入尾节点
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

为什么需要CAS插入同步队列尾部？

可能在同一时间存在多个线程竞争同步状态，就可能出现多个线程同时往同步队列插入尾节点的情况

回到获取资源的方法

封装好进入同步队列后，就是在同步队列中等待获取同步状态了，获取同步状态的过程也是一个自旋的过程，若是公平锁则是从头结点一个一个去获取同步状态，非公平锁则是随机

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            // p：前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果node的前驱结点p是head，表示node是第二个结点，就可以尝试去获取资源了（公平锁的情况下）
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 拿到资源后，将head指向该结点。
                // 所以head所指的结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
                setHead(node); 
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                // 成功获取到锁，退出自旋
                return interrupted;
            }
            // 获取不到锁则调用park()是自己阻塞
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            // 获取锁失败就将节点状态更新为cancle
            cancelAcquire(node);
    }
}

这里parkAndCheckInterrupt方法内部使用到了LockSupport.park(this)，顺便简单介绍一下park。

LockSupport类是Java 6 引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数，归结到Unsafe里，只有两个函数：

park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞当前线程
unpark(Thread jthread)：使给定的线程停止阻塞

所以结点进入等待队列后，是调用park使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于活跃状态的。

所以AQS为我们实现了主要逻辑，我们只需要子类重写尝试获取资源的protectd方法即可

释放资源：

    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) {
        // 如果状态是负数，尝试把它设置为0
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        // 得到头结点的后继结点head.next
        Node s = node.next;
        // 如果这个后继结点为空或者状态大于0
        // 通过前面的定义我们知道，大于0只有一种可能，就是这个结点已被取消
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            // 寻找等待队列中第一个可用的节点
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        // 如果后继结点不为空，唤醒该节点，让他尝试去获取同步资源
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

四，AQS实现类

synchronized的不足：

如果synchronized保护的临界区是只读操作，其实是可以多线程并发读的，但是synchronized是保证了只能一个线程去读
synchronized无法知道是否成功获取到锁
如果获取到锁的线程在synchronized保护的临界区内调用sleep()且不释放锁的话，那么会导致其他线程也一同等待

公平锁和非公平锁：

这里的“公平”，其实通俗意义来说就是“先来后到”，也就是FIFO。如果对一个锁来说，先对锁获取请求的线程一定会先被满足，后对锁获取请求的线程后被满足，那这个锁就是公平的。反之，那就是不公平的。

一般情况下，非公平锁能提升一定的效率。但是非公平锁可能会发生线程饥饿（有一些线程长时间得不到锁）的情况。所以要根据实际的需求来选择非公平锁和公平锁。

读写锁：

写锁：同一时刻只有一个线程能写资源，其他写线程和读线程都会被阻塞
读锁：同一时刻允许多个读线程读资源，大大提高性能，适合读多写少的场景

顶层锁接口

lock

lock接口定义了获取锁和释放锁的方法

public interface Lock {
    // 正常的lock，获取不到锁则阻塞等待
    void lock();
    // 可中断的获取锁：线程B获取不到锁在阻塞等待，但是现在线程B不想再等了，于是可以自己中断自己或者让别人中断自己，从而不再阻塞等待，去干别的事
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    // 获取不到锁不会阻塞等待，直接返回
    boolean tryLock();
    // 在指定时间内获取不到锁则返回
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    // 释放锁
    void unlock();
    // 等待队列
    Condition newCondition();
}

ReadWriteLock

ReadWriteLock接口定义了获取读锁和写锁的方法

public interface ReadWriteLock {
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}

lock和synchronized的区别：

lock是API级别的锁，基于AQS实现同步状态的获取和释放，synchronized是JVM级别的锁,JVM字节码指令实现同步的获取和释放
lock在获取不到锁时可以直接返回，不阻塞等待，synchronized获取不到必须阻塞等待，且无法知道是否成功获取到锁
lock可以响应中断，synchronized不可以

ReentrantLock

reentranlock实现了非公平锁和公平锁，默认是非公平锁

    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

也可以传入true实现公平锁

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

公平锁和非公平锁其实内部依赖是公平同步器和非公平同步器，上文我们提到过，AQS为我们实现了主要的逻辑，JUC包中的工具类基于AQS实现，都实现AQS中的protectd方法

reentranlock中公平锁和非公平锁的区别在加锁，

   // 非公平同步器
   static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

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

    // 公平同步器
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        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;
        }
    }

非公平的获取锁：

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

        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            // 当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            // 当前同步状态
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // CAS修改同步状态，将获取同步状态的线程修改为当前线程
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            // 判断是否可重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                // 重入同步状态
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

公平的获取锁：

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            // 当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            // 当前同步状态
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // 公平锁和非公平锁的区别在于：公平锁多了一个判断条件，只有当前线程的节点没有前驱节点才能去尝试获取同步状态
                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;
        }

公平锁获取同步状态的一个重要条件：

当前线程对应的节点没有前驱节点

释放锁：

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            // 先判断是否是持有锁的线程
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                // 对于锁重入的情况，只有当同步状态为0时才真正返回true
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            // 修改同步状态
            setState(c);
            return free;
        }

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock的锁还是通过state变量作为获取锁的标准，高16位表示读锁，低16位表示写锁

读锁加锁

        final boolean tryReadLock() {
            Thread current = Thread.currentThread();
            for (;;) {
                int c = getState();
                // 如果有其他写线程，则直接获取失败，退出自旋
                if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                    getExclusiveOwnerThread() != current)
                    return false;
                // 获取读状态     
                int r = sharedCount(c);
                // 最大读状态，不能再读，资源上限了
                if (r == MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // CAS更新读状态
                if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                    // r = 0：第一个获取了读锁
                    if (r == 0) {
                        firstReader = current;
                        firstReaderHoldCount = 1;
                    } else if (firstReader == current) {
                        // 锁重入
                        firstReaderHoldCount++;
                    } else {
                        //cachedHoldCounter 为缓存最后一个获取锁的线程
                        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                            cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); //缓存最后一个获取锁的线程
                        else if (rh.count == 0)// 当前线程获取到了锁，但是重入次数为0，那么把当前线程存入进去
                            readHolds.set(rh);
                        rh.count++;
                    }
                    return true;
                }
            }
        }

写锁获取

 public boolean tryLock( ) {
            return sync.tryWriteLock();
        }
        
        
 final boolean tryWriteLock() {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c != 0) {//状态不等于0，说明已经锁已经被获取过了
                int w = exclusiveCount(c);//这里是判断是否获取到了写锁，后面会详细分析这段代码
                // 这里就是判断是否是锁重入：2种情况
                // 1.c!=0说明是有锁被获取的，那么w==0，
                // 说明写锁是没有被获取，也就是说读锁被获取了，由于写锁和读锁的互斥，为了保证数据的可见性
                // 所以return false.
                //2. w!=0，写锁被获取了，但是current != getExclusiveOwnerThread() ，
                // 说明是被别的线程获取了，return false;
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w == MAX_COUNT)//判断是否溢出
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            }
            // 尝试获取锁
            if (!compareAndSetState(c, c + 1))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);
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