如何深入理解JUC的核心类AQS

一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer

本文转自：https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer

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。

AQS结构

// 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，也就形成了一个链表
private transient volatile Node tail;

// 这个是最重要的，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
// 这个值可以大于 1，是因为锁可以重入，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

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。

等待队列中每个线程被包装成一个 Node 实例，数据结构是链表，一起看看源码吧：

static final class Node {
    // 标识节点当前在共享模式下
    static final Node SHARED = new Node();
    // 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，
    //    ps: 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。再次强调，我说的阻塞队列不包含 head 节点。
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

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
                compareAndSetState(0, acquires)) {

                // 到这里就是获取到锁了，标记一下，告诉大家，现在是我占用了锁
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
          // 会进入这个else if分支，说明是重入了，需要操作：state=state+1
        // 这里不存在并发问题
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        // 如果到这里，说明前面的if和else if都没有返回true，说明没有获取到锁
        // 回到上面一个外层调用方法继续看:
        // if (!tryAcquire(arg) 
        //        && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
        //     selfInterrupt();
        return false;
    }

解锁操作

最后，就是还需要介绍下唤醒的动作了。我们知道，正常情况下，如果线程没获取到锁，线程会被LockSupport.park(this); 挂起停止，等待被唤醒。

// 唤醒的代码还是比较简单的，你如果上面加锁的都看懂了，下面都不需要看就知道怎么回事了
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

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

// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 是否完全释放锁
    boolean free = false;
    // 其实就是重入的问题，如果c==0，也就是说没有嵌套锁了，可以释放了，否则还不能释放掉
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

/**
 * Wakes up node's successor, if one exists.
 *
 * @param node the node
 */
// 唤醒后继节点
// 从上面调用处知道，参数node是head头结点
private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
     * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
     * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
     * fails or if status is changed by waiting thread.
     */
    int ws = node.waitStatus;
    // 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    /*
     * Thread to unpark is held in successor, which is normally
     * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
     * traverse backwards from tail to find the actual
     * non-cancelled successor.
     */
    // 下面的代码就是唤醒后继节点，但是有可能后继节点取消了等待（waitStatus==1）
    // 从队尾往前找，找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 从后往前找，仔细看代码，不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        // 唤醒线程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

总结

总结一下吧。

在并发环境下，加锁和解锁需要以下三个部件的协调：

• 锁状态。我们要知道锁是不是被别的线程占有了，这个就是 state 的作用，它为 0 的时候代表没有线程占有锁，可以去争抢这个锁，用 CAS 将 state 设为 1，如果 CAS 成功，说明抢到了锁，这样其他线程就抢不到了，如果锁重入的话，state进行 +1 就可以，解锁就是减 1，直到 state 又变为 0，代表释放锁，所以 lock() 和 unlock() 必须要配对啊。然后唤醒等待队列中的第一个线程，让其来占有锁。
• 线程的阻塞和解除阻塞。AQS 中采用了LockSupport.park(thread)来挂起线程，用unpark来唤醒线程。
• 阻塞队列。因为争抢锁的线程可能很多，但是只能有一个线程拿到锁，其他的线程都必须等待，这个时候就需要一个 queue 来管理这些线程，AQS 用的是一个 FIFO 的队列，就是一个链表，每个 node 都持有后继节点的引用。AQS 采用了 CLH 锁的变体来实现，感兴趣的读者可以参考这篇文章关于CLH的介绍，写得简单明了。