并发编程 — AQS 原理 详解

目录

一、概述

二、接口说明

1、接口

2、模板方法

三、实现原理

1、同步队列

 2、独占式申请资源操作

3、独占式释放资源操作

4、共享式获取资源操作

5、共享式释放资源操作

四、示例

1、独占式示例

2、共享式示例

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一、概述

AQS 全称为 AbstractQueuedSynchronizer （队列同步器），这个类是其他许多同步类的基类，它是使用一个 volatile 修饰 int 类型成员变量表示某种状态(如：ReentrantLock用它来表示所有者线程已经重复获取锁的次数，Semaphore用它来表示剩余的许可数量，FutureTask用它来表示任务的状态)，通过内置一个虚拟的 FIFO 队列来完成获取资源的线程的排队等待工作。在J.U.C 包中很多同步器都是基于 AQS 构建的，在基于 AQS 构建的同步器中，只可能在同一时刻发生阻塞，从而降低上下文切换的开销，并提高吞吐量。

二、接口说明

1、接口

AQS 的主要使用方式是继承，子类通过继承 AQS 类并实现它的某些方法来管理同步器状态，AQS 提提供类以下 3 个方法来访问或修改同步状态。

• getState()：获取当前同步状态
• setState(int newState)：设置当前同步状态
• compareAndSetState(int expect, int update)：使用 CAS 设置当前状态，该方法能够保证设置状态的原子性。

通过 AQS 可以实现 独占式 和 共享式 两种通过同步器类。 独占式是指一次只能有一个线程能够访问资源；共享式是指可以允许多个线程访问资源。

实现独占式需要重写的方法

• boolean tryAcquire( int arg )：独占式获取同步状态，实现该方法需要查询当前状态并判断同步状态是否符合预期，然后在进行 CAS设置同步状态。
• boolean tryRelease( int arg)：独占式释放同步状态，等待获取同步状态的线程将有机会获取同步状态。

实现共享式需要重写的方法

• int tryAcquireShared(int arg)：共享式获取同步状态，返回大于等于0的值，表示成功，小于0的值表示失败
• boolean tryReleaseShared(int arg)：共享式释放同步状态

其他方法

• boolean isHeldExclusively()：当前同步器是否在独占模式下被占用，一般该方法表示是否被当前线程所独占。

2、模板方法

在实现自定义同步器时，推荐 子类被定义为同步组件的静态内部类，然后在自定义组件中调用 AQS 中的相关模板方法。AQS 实现的模板方法如下所示：

独占式模板方法

• void acquire(int arg)：独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则有该方法返回，否则，将会进入同步队列等待。
• void acquireInterruptibly(int arg)：可中断的 独占式获取同步状态，如果未获取到同步状态进入同步队列中，，如果当前线程被中断，则该方法会抛出中断异常。
• boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：在 acquireInterruptibly(int arg) 的基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内未获取到同步状态，则返回 false, 如果成功返回 true.
• boolean release(int arg)：独占式的释放同步状态，该方法会在释放同步状态后，将同步队列中第一个节点的线程唤醒。

共享式模板方法

• void acquireShard(int arg)：共享式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功。
• void acquireShardInterruptibly(int arg)：可中断的 共享式获取同步状态，如果未获取到同步状态进入同步队列中，，如果当前线程被中断，则该方法会抛出中断异常。
• boolean tryAcquireShardNanos(int arg, long nanosTimeout)：在 acquireShardInterruptibly(int arg) 的基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内未获取到同步状态，则返回 false, 如果成功返回 true.
• boolean releaseShard(int arg)：共享式的释放同步状态，该方法会在释放同步状态后，将同步队列中第一个节点的线程唤醒。

三、实现原理

1、同步队列

AQS 是依赖内部一个虚拟的 FIFO 双向队列同步队列来完成同步状态的管理，为什么说是虚拟的队列，因为 AQS 内部并非真的有个队列，而是在其内部定义了一个Node类，来维护了一个双向队列。Node类中主要属性 如下所示：

static final class Node {
        // 节点状态
        volatile int waitStatus;
        // 前驱节点，当节点加入同步队列时被设置
        volatile Node prev;
        // 后继节点
        volatile Node next;
        // 获取同步状态的线程引用
        volatile Thread thread;
        // 等待队列中的后继节点，如果当前节点是共享的，那么这个字段将是一个SHARED常量，
        // 也就是说节点类型(独占和共享)和等待队列中的后继节点共用一个字段
        Node nextWaiter;
    }

属性 waitStatus 节点状态字典说明：

• CANCELLED(1)：由于在同步队列中等待的线程超时或者被中断，会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
• SIGNAL(-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。
• CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了 Condition 的 signal() 方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
• PROPAGATE(-3)：共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。
• 0：新结点入队时的默认状态。

通过 Node 节点是构成同步队列的基础，在 AQS 中拥有首节点 Node head 和尾结点 Node tail，没有成功获取同步状态的线程将被构造成 Node节点加入到队列的尾部，同步队列的基本结构如下所示：

 2、独占式申请资源操作

由上图可知，在 AQS 中包含了 头结点 (head) 和尾结点( tail )两个节点类型的引用，当一个线程申请同步状态失败后，就会被构造成一个 节点( Node )插入到队列的尾部，而这个操作必须要保证是线程安全的，所以在 AQS 内部提供了一个基于 CAS 的设置尾结点的方法：boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update)。入队操作如下所示：

查看申请锁源码如下：

2.1、acquire 方法

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

函数流程如下：

1. tryAcquire() 尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回（这里体现了非公平锁，每个线程获取锁时会尝试直接抢占加塞一次，而CLH队列中可能还有别的线程在等待）
2. addWaiter()  将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
3. acquireQueued()  使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
4. 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

2.2、tryAcquire(int arg) 方法

上面介绍了此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

 此方法默认抛出一个 异常，需要有 子类具体实现其方法。不再多说

2.3、addWaiter()

此方法是将当前线程 构造成一个Node 然后插入到 同步队列的队尾。源码如下所示：

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 把 当前线程构建成一个 Node 节点
	Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
	// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure

   // 尝试快速方式直接放到队尾。
	Node pred = tail;
	if (pred != null) {
		node.prev = pred;
		if (compareAndSetTail(pred, node)) {
			pred.next = node;
			return node;
		}
	}
// 如果快速插入失败，则进入 enq 方法通过自旋操作把 Node 节点插入队尾 
	enq(node);
	return node;
}


private Node enq(final Node node) {
   // 通过 CAS + 自旋的方式，将 Node 插入到同步队列的队尾
	for (;;) {
		Node t = tail;
        
		if (t == null) { // 如果队列为空，则先创建一个 头结点，然后在插入Node节点
			if (compareAndSetHead(new Node()))
				tail = head;
		} else {
			node.prev = t;
			if (compareAndSetTail(t, node)) { // 通过CAS 操作插入到队尾
				t.next = node;
				return t;
			}
		}
	}
}

 在enq(Node node) 方法中，AQS 是通过“死循环” 来保证节点的正确添加，在 “死循环” 中只有通过 CAS 将节点设置成尾结点，否则将一直尝试，直到设置成功。

2.4、acquireQueued()

源码如下：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
	boolean failed = true; // 标记是否失败
	try {
		boolean interrupted = false; // 标记是否被中断
		for (;;) {
			final Node p = node.predecessor(); //获取到当前节点的前驱节点

			//判断前驱节点释放为头结点，且尝试获取资源。
			if (p == head && tryAcquire(arg)) {
				setHead(node); // 果是头结点 且获取资源成功, 把当前节点设置为头结点
				p.next = null; // help GC
				failed = false;
				return interrupted;
			}
			//如果自己可以休息了，就通过park()进入waiting状态，直到被unpark()。
			// 如果不可中断的情况下被中断了，那么会从park()中醒过来，发现拿不到资源，从而继续进入park()等待。
			if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
				parkAndCheckInterrupt())
				interrupted = true;
		}
	} finally {
// 如果等待过程中没有成功获取资源（如timeout，或者可中断的情况下被中断了），那么取消结点在队列中的等待。
		if (failed)
			cancelAcquire(node);
	}
}

通过 tryAcquire() 该线程获取资源失败，并且通过 addWaiter() 已经被放入等待队列尾部后，就会调用 acquireQueued() 方法，使当前线程在 “死循环” 中尝试获取同步状态，而只有前驱节点是头结点的节点才能够尝试获取同步状态，这是为什么呢？原因有如下两个：

1. 头结点是成功获取到同步状态的节点，而头结点的线程释放了同步状态之后，将会唤醒其后继节点，后继节点的线程被唤醒后需要检查自己的前驱节点是否为头结点。
2. 维护同步队列的 FIFO 原则。

acquireQueued() 函数有一个返回值，表示什么意思呢？虽然该函数不会中断响应，但它会记录被阻塞期间有没有其他线程向它发送过中断信号。如果有，则该函数会返回true；否则，返回 false 。

 该方法中，节点自旋获取同步状态的行为如下所示：

 2.5、shouldParkAfterFailedAcquire

此方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以去休息了（进入waiting状态，如果线程状态转换不熟），万一队列前边的线程都放弃了只是瞎站着，那也说不定，对吧！

shouldParkAfterFailedAcquire

整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

2.6、parkAndCheckInterrupt

如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
  LockSupport.park(this); //调用park()使线程进入waiting状态
  return Thread.interrupted(); // 返回当前线程的中断状态，并清空
}

线程调用park（）函数，自己把自己阻塞起来，直到被其他线程唤醒，该函数返回。park（）函数返回有两种情况。

情况1：其他线程调用了unpark（Thread t）。

情况2：其他线程调用了t.interrupt（）。

这里要注意的是，lock() 不能响应中断，但 LockSupport.park() 会响应中断。 

也正因为 LockSupport.park() 可能被中断唤醒，acquireQueued()  函数才写了一个 for 死循环。唤醒之后，如果发现自己排在队列头部，就去拿锁；如果拿不到锁，则再次自己阻塞自己。不断重复此过程，直到拿到锁。被唤醒之后，通过 Thread.interrupted() 来判断是否被中断唤醒。如果是情况1，会返回 false；如果是情况2，则返回 true。

2.7、小结

首先线程去尝试获取同步状态，如果获取成功则直接返回，处理自己的事情；如果失败则被构建成一个 Node 节点然后通过 自旋 + CAS 的方式把构建的节点插入到同步队列的队尾，插入成功后会判断其前驱节点是否为头结点，如果不是则线程进入等待状态，如果是会再次尝试申请同步状态，如果获取成功则把自己设置为头部节点，如果失败则进入等待状态。

说明：当前节点的前驱节点是头结点时，会出如下两种情况：

• 公平锁：如果是公平锁前驱节点是头结点，此时去获取同步状态，正常会成功。
• 非公平锁：在非公平锁请可下，当前获取同步状态时，有可能被其他节点插队了，所有存在获取同步状态失败的情况。

3、独占式释放资源操作

当前线程获取了同步状态并且执行了响应逻辑后，就需要释放同步状态，使得后续节点能够继续获取同步状态。通过调用 AQS 的 release(int arg) 方法可以释放同步状态，该方法在释放了同步状态之后，会唤醒其后继节点，进而使后继节点重新尝试获取同步状态。方法源码如下所示：

3.1、release() 方法

public final boolean release(int arg) {
	//通过 tryRelease 尝试释放资源
	if (tryRelease(arg)) {
		Node h = head; //获取头结点
		//判断头结点不null，为非初始状态，则执行唤醒操作
		if (h != null && h.waitStatus != 0)
			unparkSuccessor(h);
		return true;
	}
	return false;
}

3.2、unparkSuccessor 方法

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //这里 node 当前释放资源的线程所在的节点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s

    // 如果下一个节点为 null 或 已取消(超时或者被中断)
    // 则从尾结点 从后往前查找
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

 此方法不复杂。一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未被取取消的线程，这里我们也用 N 表示当前节点。此时，在结合 acquireQueued() ，N 被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg)) 的判断，如果不满足条件则会调用 shouldParkAfterFailedAcquire() 方法寻找下一个安全点，如果成功则执行自己的业务逻辑。

3.3、小结

资源的释放很简单，release() 方法是释放资源的入口，当前节点成功释放资源后就会唤醒后续节点，继续尝试获取资源。

4、共享式获取资源操作

4.1、acquireShared(int) 方法

　此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码：

    public final void acquireShared(int arg) {
        
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireShared(arg);
    }

4.2、tryAcquireShared(int arg)

       这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。

    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

4.3、doAcquireShared(int arg)

 此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。源码如下所示：

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
    boolean failed = true;//是否成功标志
    try {
        boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//前驱
            if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
                int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
                if (r >= 0) {//成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }

            //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

此方法跟 独占式中的 acquireQueued 方法很类似，有一点区别是，如果线程被中断在补充中断时 独占式 的是在 acquireQueued 方法之外，而共享式的是放在了 doAcquireShared 方法中。

与独占式还有一点区别是，当节点被唤醒获取资源后，如果还有剩余资源，还会继续唤醒后续节点。如下图所示，当前节点 N0 获取到资源后，还剩余 2 个资源，那么当唤醒后续节点 N1 时，由于资源不足会继续阻塞到 N1 节点，不会在继续唤醒后续节点。

4.4、setHeadAndPropagate() 方法 

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head;
    setHead(node);//head指向自己
     //如果还有剩余量，继续唤醒下一个线程
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

4.5、小结

　至此，acquireShared()  也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：

1. tryAcquireShared() 尝试获取资源，成功则直接返回；
2. 失败则通过 doAcquireShared() 进入等待队列 park()，直到被 unpark()/interrupt() 并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。

　　其实跟 acquire() 的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作。

5、共享式释放资源操作

5.1、releaseShared() 方法

　上一小节已经把 acquireShared() 说完了，这一小节就来讲讲它的反操作 releaseShared() 。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。源码如下所示：

    public final boolean releaseShared(int arg) {
        
        if (tryReleaseShared(arg)) { //尝试释放共享资源
            doReleaseShared(); //操作释放操作
            return true;
        }
        return false;
    }

5.2、doReleaseShared() 方法

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;
                unparkSuccessor(h);//唤醒后继
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        if (h == head)// head发生变化
            break;
    }
}

5.3、小结

　共享模式的资源方法也很简单，一言以蔽之就是：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下不同的是，独占模式下在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式的实质是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。

四、示例

上面分析了 AQS 的原理及部分源码，接下来我们通过两个例子在巩固一下。

1、独占式示例

我们通过实现一个独占锁。

public class MonopolyLock implements Lock {

    private final Sync sync = new Sync();

    // 定义一个继承 AQS的静态内部类，自定义同步器
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
        //独占式获取锁，当状态为 0 时获取锁，获取成功后设置独占线程为当前线程，返回true,否则返回 false
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            if(compareAndSetState(0, 1)){
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 释放锁，设置同步状态为 0，同时清空独占线程
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            if(getState() == 0){
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        // 判断锁释放处于被占有状态。
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        Condition newCondition(){
            return new ConditionObject();
        }
    }

    @Override
    public void lock() {
       sync.acquire(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
         sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
         sync.release(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return  sync.newCondition();
    }
}

2、共享式示例

定义一个锁，实现每次有两个线程可以获取资源。具体代码如下所示：

public class TwinsLock implements Lock {

    /**
     * 继承 AbstractQueuedSynchronizer 实现一个同步器
     */
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{

        //构造方法, count 默认资源数量
        Sync(int count){
            if (count < 0){
                throw new IllegalArgumentException("count must large than zero.");
            }
            setState(count);
        }

        // 复写 共享 申请资源方法，通过 自旋 + CAS 的方式更新剩余资源数量
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {
            for (;;){
                int current = getState();
                int newCount = current - arg;
                if(newCount < 0 || compareAndSetState(current, newCount)){
                    return newCount;
                }
            }
        }

        // 释放资源
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            for (;;){
                int current = getState();
                int newCount = current + arg;
                if(compareAndSetState(current, newCount)){
                    return true;
                }
            }
        }
    }

    // 定义一个同步器，资源数量为 2 个
    private final Sync sync = new Sync(2);


    @Override
    public void lock() {
         sync.acquireShared(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquireShared(1) > 0;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }
}

示例都很简单，如有疑问，可以留言共同探讨。

五、写在最后

 有人问过这样一个问题 “ AQS 为什么使用双向队列？”。个人认为原因如下：

• 因为线程在无法获取资源时，都是需要把构造的节点插入到队尾，使用双向队列，在插入是比价方便，直接操作队尾即可，无需遍历整个队列插入。
• 在插入尾部时，尾结点以及尾结点之前的 所有节点都已经超时或者中断，那么就可以向前遍历删除这些已经取消的节点，这样在头结点释放锁后，就能直接被唤醒。
• 在线程 A 占有了资源之后，线程B 也来占有，线程B 需要判断前驱节点的状态确定是否需要阻塞。双向队列方便遍历。
• 双向扫描，当是否资源时，如果释放资源的后续节点为 null 或者被取消时，回查尾部遍历找到第一个为放弃的线程。