AQS详解
AQS简介
- 在同步组件的实现中，AQS是核心部分，同步组件的实现者通过使用AQS提供的模板方法实现同步组件语义。
- AQS 则实现了对同步状态的管理，以及对阻塞线程进行排队，等待通知等等一些底层的实现处理。
- AQS的核心也包括了这些方面：同步队列，独占式锁的获取和释放，共享锁的获取和释放以及可中断锁，超时等待锁获取这些特性的实现，而这些实际上则是AQS提供出来的模板方法。
同步队列
当共享资源被某个线程占有，其他请求该资源的线程将会阻塞，从而进入同步队列。就数据结构而言，队列的实现方式无外乎两者：一是通过数组的形式，另外一种则是链表的形式。AQS中的同步队列则是通过链式方式进行实现。 接下来，很显然我们至少会抱有这样的疑问：1. 节点的数据结构是什么样的？2. 是单向还是双向？3. 是带头结点的还是不带头节点的？
在AQS有一个静态内部类Node，这是我们同步队列的每个具体节点。在这个类中有如下属性：
volatile int waitStatus; // 节点状态
volatile Node prev; // 当前节点的前驱节点
volatile Node next; // 当前节点的后继节点
volatile Thread thread; // 当前节点所包装的线程对象
Node nextWaiter; // 等待队列中的下一个节点
节点的状态如下:
int INITIAL = 0; // 初始状态int CANCELLED = 1; // 当前节点从同步队列中取消int SIGNAL = -1; // 后继节点的线程处于等待状态，如果当前节点释放同步状态会通知后继节点，使得后继 节点的线程继续运行。int CONDITION = -2; // 节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了 signal()方法后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到对同步状态的获取中。int PROPAGATE = -3; // 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地被传播下去。
现在我们知道了节点的数据结构类型，并且每个节点拥有其前驱和后继节点，很显然这是一个带头结点双向链表。
也就是说AQS实际上通过头尾指针来管理同步队列，同时实现包括获取锁失败的线程进行入队，释放锁时对同步队 列中的线程进行通知等核心方法。
独占锁的获取
调用lock()方法是获取独占锁，获取锁失败后调用AQS提供的acquire（int arg）模板方法将当前线程加入同步队列，成功则线程执行。来看ReentrantLock源码
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
lock方法使用CAS来尝试将同步状态改为1，如果成功则将同步状态持有线程置为当前线程。否则将调用AQS提供的 acquire()方法。
public final void acquire(int arg) {
// 再次尝试获取同步状态，如果成功则方法直接返回
// 如果失败则先调用addWaiter()方法再调用acquireQueued()方法
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
tryAcquire(arg)：再次尝试获取同步状态，成功直接方法退出，失败调用addWaiter();
addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)：将当前线程以指定模式(独占式、共享式)封装为Node节点后置入同步队列
private Node addWaiter(Node mode) {
// 将线程以指定模式封装为Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取当前队列的尾节点
Node pred = tail;
// 若尾节点不为空
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 使用CAS将当前节点尾插到同步队列中
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
// CAS尾插成功，返回当前Node节点
return node;
}
}
// 尾节点为空 || CAS尾插失败
enq(node);
return node;
}
分析上面的注释。程序的逻辑主要分为两个部分：1. 当前同步队列的尾节点为null，调用方法enq()插入；2. 当前队列的尾节点不为null，则采用尾插入（compareAndSetTail()方法）的方式入队。另外还会有另外一个问题： 如果 if (compareAndSetTail(pred, node))为false怎么办？会继续执行到enq()方法，同时很明显compareAndSetTail() 是一个CAS操作，通常来说如果CAS操作失败会继续自旋（死循环）进行重试。
因此，经过我们这样的分析，enq()方法可能承担两个任务：
- 处理当前同步队列尾节点为null时进行入队操作；
- 如果CAS尾插入节点失败后负责自旋进行尝试
private Node enq(final Node node) {
// 直到将当前节点插入同步队列成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
// 初始化同步队列
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 不断CAS将当前节点尾插入同步队列中
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
在上面的分析中我们可以看出在第1步中会先创建头结点，说明同步队列是带头结点的链式存储结构。带头结点与不带头结点相比，会在入队和出队的操作中获得更大的便捷性，因此同步队列选择了带头结点的链式存储结构。那么带头节点的队列初始化时机是什么？自然而然是在tail==null时，即当前线程是第一次插入同步队列。 compareAndSetTail(t, node)方法会利用CAS操作设置尾节点，如果CAS操作失败会在for (;;)死循环中不断尝试，直至成功return返回为止。
因此，对enq()方法可以做这样的总结：
- 在当前线程是第一个加入同步队列时，调用
compareAndSetHead(new Node())方法，完成链式队列头结点的初始化； - 自旋不断尝试CAS尾插入节点直至成功为止。
现在我们已经很清楚获取独占式锁失败的线程包装成Node然后插入同步队列的过程了。那么紧接着会有下一个问题：在同步队列中的节点（线程）会做什么事情来保证自己能够有机会获得独占式锁？
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
// 自旋
for (;;) {
// 获取当前节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 获取同步状态成功条件
// 前驱节点为头结点并且获取同步状态成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 将当前节点设置为头结点
setHead(node);
// 删除原来的头结点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
// 获取失败将当前节点取消
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
整体来看这是一个这又是一个自旋的过程（for(;;)），代码首先获取当前节点的先驱节点，如果先驱节点是头结点的并且成功获得同步状态的时候（if (p == head && tryAcquire(arg))），表示当前节点所指向的线程能够获取锁，方法执行结束。反之，获取锁失败进入等待状态，先不断自旋将前驱节点状态置为SIGINAL，
而后调用LockSupport.park()方法将当前线程阻塞。整体示意图为下图：
获取锁成功并且节点出队的逻辑
// 当前节点前驱为头结点并且再次获取同步状态成功
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//队列头结点引用指向当前节点
setHead(node);
//释放前驱节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
将当前节点通过setHead()方法设置为队列的头结点，然后将之前的头结点的next域设置为null并且pre域也为null，即与队列断开，无任何引用方便GC时能够将内存进行回收。
那么当节点在同步队列中获取锁失败的时候会调用shouldParkAfterFailedAcquire()方法。此方法主要逻辑
是使用CAS将前驱节点状态由INITIAL置为SIGNAL，表示需要将当前节点阻塞。如果CAS失败，说明 shouldParkAfterFailedAcquire()方法返回false，然后会在acquireQueued()方法中的for (;;)死循环中不断自旋直到前驱节点状态置为SIGANL为止，返回true时才会执行方法 parkAndCheckInterrupt()方法。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
// 获取前驱节点的节点状态
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
// 前驱节点已被取消
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
// 不断重试直到找到一个前驱节点状态不为取消状态
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
// 前驱节点状态不是取消状态时，将前驱节点状态置为-1,
// 表示后继节点应该处于等待状态
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt()方法的源码为
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
该方法的关键是会调用LookSupport.park()方法，该方法是用来阻塞当前线程的。
整体上看，acquireQueued()在自旋过程中主要完成了两件事情：
- 如果当前节点的前驱节点是头节点，并且能够获得同步状态的话，当前线程能够获得锁该方法执行结束退出。
- 获取锁失败的话，先将节点状态设置成SIGNAL，然后调用LookSupport.park方法使得当前线程阻塞。
独占式锁的获取过程也就是acquire()方法的执行流程
独占锁的释放(release()方法)
独占锁的释放调用unlock方法，而该方法实际调用了AQS的release方法
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
}
这段代码逻辑就比较容易理解了，如果同步状态释放成功（tryRelease返回true）则会执行if块中的代码，当head指向的头结点不为null，并且该节点的状态值不为0的话才会执行unparkSuccessor()方法。
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)
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.
*/
// 头结点的后继节点
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)
// 后继节点不为null时唤醒
LockSupport.unpark(s.thread);
}
首先获取头节点的后继节点，当后继节点不为空的时候会调用LookSupport.unpark()方法，该方法会唤醒该节点的后继节点所包装的线程。因此，每一次锁释放后就会唤醒队列中该节点的后继节点所引用的线程，从而进一步可以佐证获得锁的过程是一个FIFO（先进先出）的过程。
独占式锁获取与释放总结
- 线程获取锁失败，将线程调用
addWaiter()封装成Node进行入队操作。addWaiter()中enq()方法完成对同步队列的头节点初始化以及CAS尾插失败后的重试处理。 - 入队之后排队获取锁的核心方法
acquireQueued()，节点排队获取锁是一个自旋过程。当且仅当当前节点的前驱节点为头节点并且获取同步状态时，节点出队并且该节点引用的线程获取到锁。否则不满足条件时会不断自旋将前驱节点的状态置为SIGNAL后调用LockSupport.part()将当前线程阻塞。 - 释放锁时会唤醒后继结点（后继结点不为null）。
独占锁特性
可中断式获取锁
可响应中断式锁可调用方法lock.lockInterruptibly()；而该方法其底层会调用AQS的acquireInterruptibly()方法。
/**
* Acquires in exclusive mode, aborting if interrupted.
* Implemented by first checking interrupt status, then invoking
* at least once {@link #tryAcquire}, returning on
* success. Otherwise the thread is queued, possibly repeatedly
* blocking and unblocking, invoking {@link #tryAcquire}
* until success or the thread is interrupted. This method can be
* used to implement method {@link Lock#lockInterruptibly}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
* @throws InterruptedException if the current thread is interrupted
*/
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
// 线程获取锁失败
doAcquireInterruptibly(arg);
}
在获取同步状态失败后就会调用doAcquireInterruptibly()方法
/**
* Acquires in exclusive interruptible mode.
* @param arg the acquire argument
*/
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
获取锁响应中断原理与acquire()几乎一样，唯一区别在于当parkAndCheckInterrupt()返回true时表示线程阻塞时被中断，抛出中断异常后线程退出。
超时等待式获取锁（tryAcquireNanos()方法）
通过调用lock.tryLock(timeout,TimeUnit)方式达到超时等待获取锁的效果，该方法会在三种情况下才会返回：
- 在超时时间内，当前线程成功获取了锁；
- 当前线程在超时时间内被中断；
- 超时时间结束，仍未获得锁返回false。
该方法会调用AQS的方法tryAcquireNanos()，源码为：
/**
* Attempts to acquire in exclusive mode, aborting if interrupted,
* and failing if the given timeout elapses. Implemented by first
* checking interrupt status, then invoking at least once {@link
* #tryAcquire}, returning on success. Otherwise, the thread is
* queued, possibly repeatedly blocking and unblocking, invoking
* {@link #tryAcquire} until success or the thread is interrupted
* or the timeout elapses. This method can be used to implement
* method {@link Lock#tryLock(long, TimeUnit)}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
* @param nanosTimeout the maximum number of nanoseconds to wait
* @return {@code true} if acquired; {@code false} if timed out
* @throws InterruptedException if the current thread is interrupted
*/
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquire(arg) ||
// 实现超时等待的效果
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}
最终是靠doAcquireNanos()方法实现超时等待的效果
/**
* Acquires in exclusive timed mode.
*
* @param arg the acquire argument
* @param nanosTimeout max wait time
* @return {@code true} if acquired
*/
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
超时获取锁逻辑与可中断获取锁基本一致，获取锁失败后，增加了一个时间处理。如果当前时间超过截止时间，线程不在等待，直接退出，返回false。否则将线程阻塞置为等待状态排队获取锁。