Java并发--AQS源码分析
- 一、AQS整体设计思路
- 1.1 CAS操作+volatile关键字+改造的CLH队列
- 二、独占模式
- 2.1何为独占模式
- 2.2 独占模式下获取共享资源
- 2.2.1 直接获取了共享资源的操作权
- 2.2.2 没有获取了共享资源的操作权
- 2.3 独占模式下释放共享资源
- 2.3.1 释放资源
- 三、共享模式
- 3.1共享模式获得资源
如果说CAS操作，是J.U.C包的灵魂，那么AbstractQueuedSynchronizer（抽象队列同步器，简称AQS），就是J.U.C包的骨架，基于AQS，J.U.C包得以实现了经典的重入锁、读写锁、CountDownLatch（计数锁）、Semaphore（信号量）和FutureTask这种实现了异步回调机制的类。
如果文章中由任何不妥或者谬误之处，请批评指正。
一、AQS整体设计思路
1.1 CAS操作+volatile关键字+改造的CLH队列
首先AQS内部维护了一个变形的CLH队列，一个基于AQS实现的同步器，这个同步器管理的所有线程，都会被包装成一个结点，进入队列中，所有所有线程结点，共享AQS中的state（同步状态码）。
AQS中的state状态码是一个volatile变量，而对状态码的修改操作，全部都是CAS操作，这样就保证了多线程间对状态码的同步性，这种方式也是我们之前所说的CAS常用的操作模式。
二、独占模式
2.1何为独占模式
一个时间段内，只能有一个线程可以操作共享资源，这就是独占模式。我们常见的同步锁就是一种独占模式。
AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。
AQS中有四个核心的顶层入口方法：
acquire(int)、release(int)、acquireShared(int)、releaseShared(int)
以AQS为基础实现的同步器类，只需要合理使用这些方法，就可以实现需要的功能。
显而易见：acquire(int)、release(int)是独占模式中的方法。
而acquireShared(int)、releaseShared(int)是共享模式中的方法。
2.2 独占模式下获取共享资源
2.2.1 直接获取了共享资源的操作权
首先来看acquire(int)这个入口方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}首先，这个方法的根本意思是尝试获得共享资源的操作权
分析代码逻辑，如果tryAcquire(int)方法返回了true，那么后续的代码就不会执行，也就是说直接回跳转到整个方法结束，那么tryAcquire(int)又是什么方法呢？
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}可以看到tryAcquire(int)方法只抛出了一个异常，实际上，这个方法AQS并不会实现，而是它的具体实现类来完成这个方法，也就是说，不同子类对于实现这个方法可以有不同的逻辑，但是需要注意的是，无论什么逻辑去实现这个方法，如果成功获得了共享资源的操作权，那么一定要返回true，否则返回false。
2.2.2 没有获取了共享资源的操作权
再回头来看acquire(int)这个方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}显然，如果tryAcquire(arg)返回了false，也就是说当前线程没有直接获取共享资源的操作权，那么根据逻辑，就会执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 新建了一个含有当前线程对象的改造CLH队列节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 尝试快速添加结点到队列中（入队）
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 不能快速入队，就调用enq(Node)方法入队
enq(node);
return node;
}再来看一下enq(Node)方法
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // CAS操作自旋，基本操作
Node t = tail;
if (t == null) { // 队尾必须初始化
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 如果队列还没有初始化，就采用CAS的方式构建队列
// CAS保证了多线程间数据一致性（不会同时创建多个队列）
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 如果队列已经初始化，就采用CAS的方式添加结点到队尾
// CAS在这保证了不会出现两个结点同时连接到同一个结点后面
t.next = node;
return t;
}
}
}
}综上所述，可以看出addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法是用来把一个竞争资源失败的线程，包装成一个独占模式的结点，然后添加到CLH队列中，同时其中的CAS操作，避免了多线程并发操作带来的数据不一致问题
入队后的结点，会作为参数，传给acquireQueued(final Node node, int arg)方法。
这个方法的实现十分的精妙，可以说是整个获取资源操作的核心。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false; // 中断标志位，如果被中断唤醒则为true
for (;;) {
// 首先获取传入结点的前一个结点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前一个结点是头结点，那么就说明，这次节点有机会竞争到共享资源
// 所以尝试竞争共享资源，如果竞争失败，则说明头结点还没有释放资源
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false; // 成功获取资源
return interrupted;
}
// 如果当前线程的节点处于队列中，会有两种情况
// 1.前一个结点不是头结点，则说明自己在等待队列中，则判断是否可以休眠
// 2.如果前一个结点是头结点，但竞争资源失败，也判断是否可以休眠
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}到这里，可能你会发现一些问题，AQS确实提供了线程等待队列，线程获取共享资源操作权，以及线程包装成CLH节点入队等操作，但是作为一个同步器，最核心的功能就是让没有获得共享资源操作权的线程进入等待状态（阻塞，挂起都可，只不过AQS中是使用了JVM中的线程等待状态）。
而shouldParkAfterFailedAcquire方法就会做到我们期望的去睡眠线程。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 首先获取前一个节点的状态码
int ws = pred.waitStatus;
// 如果前一个节点处于SIGNAL状态，则说明可以安全的休眠该节点包含的线程
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
if (ws > 0) { // 如果状态码大于0，则说明前面的节点已经处于无效状态
do { // 这个循环会把当前节点不断前移，直到它前面的节点处于有效状态
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 使用CAS操作把这个节点的状态码置为SIGNAL
// 这样以来，后面的节点就能继续连接到该节点
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}再回头来看自旋里的这段代码，我们已经知道，shouldParkAfterFailedAcquire是用来确保某个节点内的线程可以安全的休眠，同时起到了一个整理CLH队列的作用。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())如果shouldParkAfterFailedAcquire返回了false，则不会进入parkAndCheckInterrupt方法，因为此时并不能休眠线程，但是如果返回true，则会直接休眠这个线程。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 直接让当前线程进入等待状态
return Thread.interrupted(); // 返回是否被中断唤醒
}至此，我们对线程竞争资源，以及竞争资源失败以后的入队，乃至入队以后线程的休眠，已经有了一个了解。
2.3 独占模式下释放共享资源
2.3.1 释放资源
还是从顶层接口开始分析
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) { // 尝试直接释放资源
Node h = head; // 因为占用资源的一定是队列中头节点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h); // 进行实际意义上的解锁操作
return true;
}
return false;
}释放资源的过程相比起获得资源，逻辑上要简单很多，而且代码也便于理解。
我们来看一下唤醒线程的关键方法，unparkSuccessor
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;
if (ws < 0) // 清除了该节点的状态码，这个节点由回到了初始化状态
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.
*/
Node s = node.next; // 获取头节点后的下一个节点
if (s == null || s.waitStatus > 0) {// 如果节点为null或者已经失效（取消
s = null;
// 那么则从后向前找，直到找到最前面那个有效的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 解锁下一个有效的节点，唤醒节点中包含的线程对象
LockSupport.unpark(s.thread);
}
这时候，我们已经唤醒了下一个有效的节点的线程对象，这个线程等待时，是阻塞在acquireQueued方法内的自旋for循环，在回到acquireQueued方法后，此时该线程发现，自己已经是头节点后面的节点了。于是又去tryAcquire尝试获取资源，这次它就可以顺利获取共享资源了（因为头节点所含的线程释放了资源的使用权）
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// 线程被唤醒以后，恢复到了此处
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}以上就是独占模式下的释放资源过程，可以看出，释放资源以后，后面被阻塞进入等待状态的线程，又要回到获取资源的方法中，这种设计完美的保证了多线程间不会出现共享数据的访问问题，而事实上ReentrantLock就是完全使用了这种独占模式的AQS设计，只不过自己依据AQS状态码实现了可重入。
三、共享模式
3.1共享模式获得资源
所谓共享模式，就是多个线程可以同时对一个资源进行操作，你可能说这样会出现数据不一致的问题，但是往往涉及到数据读的操作，才会使用共享模式，但是涉及到写数据，就需要独占模式来实现了。
了解了独占模式下的操作，共享模式下的操作就变得简答了许多。
首先还是从顶层入口方法看起。acquireShared方法用来在共享模式下尝试获取资源。
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}这个方法很容易理解，tryAcquireShared也是一个由子类重写的方法，doAcquireShared是实际上去申请资源的方法。
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 直接将节点以共享模式加入队列
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); // 获取队列中前一个节点
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) { // 说明共享资源已经被释放
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 和独占模式一样，将节点包含的线程对象休眠
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}独占锁模式获取成功以后设置头结点然后返回中断状态，结束流程。而共享锁模式获取成功以后，调用了setHeadAndPropagate方法，从方法名就可以看出除了设置新的头结点以外还有一个传递动作，一起看下代码：
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
setHead(node); // 将这个节点设置为头节点
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
// 这里体现出了共享模式的概念，如果propagate > 0 ，说明后继节点也要唤醒
// h.waitStatus < 0 则头节点的后继节点需要被唤醒
Node s = node.next;
// 如果后继节点是共享类型节点，进行唤醒操作
// 如果没有后继节点，也进行唤醒
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared(); // 这个唤醒操作不是仅仅一个节点，我们看后面代码
}
}private void doReleaseShared() {
for (;;) {
//唤醒操作由头结点开始，注意这里的头节点已经是上面新设置的头结点了
//其实就是唤醒上面新获取到共享锁的节点的后继节点
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
//表示后继节点需要被唤醒
if (ws == Node.SIGNAL) {
//这里需要控制并发，因为入口有setHeadAndPropagate跟release两个，避免两次unpark
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
//执行唤醒操作
unparkSuccessor(h);
}
//如果后继节点暂时不需要唤醒，则把当前节点状态设置为PROPAGATE确保以后可以传递下去
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
//如果头结点没有发生变化，表示设置完成，退出循环
//如果头结点发生变化，比如说其他线程获取到了锁，为了使自己的唤醒动作可以传递，必须进行重试
if (h == head)
break;
}
}
也就是说setHeadAndPropagate方法会重新设置一个头，然后doReleaseShared会从头向后遍历，如果是处于共享模式的节点，都会唤醒。
了解了这个以后，再回头看releaseShared就很简单了。
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}上面的setHeadAndPropagate()方法表示等待队列中的线程成功获取到共享锁，这时候它需要唤醒它后面的共享节点（如果有），但是当通过releaseShared（）方法去释放一个共享锁的时候，接下来等待独占锁跟共享锁的线程都可以被唤醒进行尝试获取。
- 深入浅出AQS之共享锁模式
- Java并发之AQS详解