Java之AQS原理浅析
AQS全称AbstractQueuedSynchronizer，它是实现 JCU包中几乎所有的有关锁、多线程并发以及线程同步器等重要组件的基石， 其核心思想是基于volatile int state这样的一个属性同时配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁的状态进行修改 。
1、AQS原理简述
AQS内部维护着一个FIFO的CLH队列，该队列的基本结构如下。
1.1、Node节点
AQS中使用Node来表示CLH队列的每个节点，源码如下：
static final class Node {
//表示共享模式（共享锁）
static final Node SHARED = new Node();
//表示独占模式（独占锁）
static final Node EXCLUSIVE = null;
//表示线程已取消
static final int CANCELLED = 1;
//表示当前结点的后继节点需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
//线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒
static final int CONDITION = -2;
//表示锁的下一次获取可以无条件传播，在共享模式头结点有可能处于这种状态
static final int PROPAGATE = -3;
//线程等待状态
volatile int waitStatus;
//当前节点的前一个节点
volatile Node prev;
//当前节点的下一个节点
volatile Node next;
//当前节点所代表的的线程
volatile Thread thread;
//可以理解为当前是独占模式还是共享模式
Node nextWaiter;
//如果节点在共享模式下等待，则返回true。
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
//获取前一个节点
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
...
}
1.2、入队
如果当前线程通过CAS获取锁失败，AQS会将该线程以及等待状态等信息打包成一个Node节点，并将其加入同步队列的尾部，同时将当前线程挂起。
public final void acquire(int arg) {
//tryAcquire是子类重写的方法
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
//将线程及状态信息打包成一个节点
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//快速的将节点插入队列尾部，
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//快速插入失败，通过轮询来插入尾部，性能比快速插入消耗要大一些
enq(node);
return node;
}
//通过轮询方式将节点插入队列尾部
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
//挂起当前线程
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//通过LockSupport来挂起当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
总体流程图如下。
1.3、出队
当释放锁时，执行出队操作及唤醒后继节点。
public final boolean release(int arg) {
//tryRelease是子类实现的方式
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//线程唤醒及出队操作
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
总体流程图如下。
1.4、同步状态管理
或许对图中的同步器有所疑惑。它到底是什么？其实很简单，它就是给首尾两个节点加上volatile同步域，如下。
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;
上面三个变量是AQS中非常重要的三个变量，前面两个变量好理解，下面就来说一下state变量，该变量是一个计数器，在独占锁情况下，获取锁后，state的值就会为1，释放锁时就设置为0（这种锁属于不可重入锁）；在共享锁情况下，每一个线程获取到锁，就会state++，释放锁时就state–；在可重入锁情况下（获取的锁都是同一把锁），每获取一次锁会state++，释放锁时state–。
protected final int getState() {
return state;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//使用CAS
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
2、自定义独占锁及共享锁
通过上一节的讲解，想必对AQS有了一定的了解，下面就通过AQS来实现一个独占锁及共享锁。
AQS非常强大，只需要重写tryAcquire、tryRelease这两个方法就可以实现一个独占锁。源码如下：
public class SingleLock implements Lock {
//自定义的独占锁
static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//独占锁
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//独占锁
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
//判断是是否是独占锁。
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
private Sync sync;
public SingleLock() {
sync = new Sync();
}
//加锁
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
//获取可中断锁
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
//获取锁，可能失败
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
//在time时间内不能获取锁则失败
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
}
//释放锁
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
//Condition来实现阻塞唤醒机制
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
很简单的代码就实现了一个独占锁，SingleLock拥有ReentrantLock的大部分功能，并且用法一模一样。是不是很简单…
JUC包中提供的闭锁（CountDownLatch）及信号量（Semaphore）就是典型的共享锁的实现。共享锁的实现也很简单，需要重写tryAcquireShared、tryReleaseShared这两个方法。下面就来实现一个共享锁。代码如下：
public class ShareLock implements Lock {
static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private int count;
Sync(int count) {
this.count = count;
}
@Override
protected int tryAcquireShared(int arg) {
for (; ; ) {
int current = getState();
int newCount = current - arg;
if (newCount < 0 || compareAndSetState(current, newCount)) {
return newCount;
}
}
}
@Override
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
for (; ; ) {
int current = getState();
int newCount = current + arg;
if (compareAndSetState(current, newCount)) {
return true;
}
}
}
Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
private int count;
private Sync sync;
public ShareLock(int count) {
this.count = count;
sync = new Sync(count);
}
@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 sync.newCondition();
}
}
ShareLock允许count个线程同时获取锁，它的实现也很简单吧。通过上面这两个例子，我们就可以按照自己需求来实现不同的锁，但JUC包中提供的类基本上能满足绝大部分需求了。
3、锁的可重入性
SingleLock是我们自己实现的一种独占锁，但如果把它用在递归中，就会产生死锁。因为SingleLock不具备可重入性。那么该如何实现可重入性尼？来看ReentrantLock的实现。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//可重入性的实现，如果当前线程已拿到锁
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
//状态加1
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//重新设置状态
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
可以发现可重入性的实现还是蛮简单的，首先判断当前线程是不是已经拿到锁，如果已经拿到锁就将state的值加1。可重入性这一点非常重要，否则会产生不必要的死锁问题，Synchronize也具备可重入性。
3、锁的公平性
SingleLock属于一个非公平锁，那么如何实现公平锁尼？其实这更简单，只需要加个判断即可。来看ReentrantLock的公平锁的实现。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//如果当前线程之前还有节点则hasQueuedPredecessors返回true，就不会去竞争锁
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;
}
hasQueuedPredecessors就是判断锁是否公平的关键，如果在当前线程之前还有排队的线程就返回true，这时候当前线程就不会去竞争锁。从而保证了锁的公平性。
4、惊群效应
在使用wait/notify/notifyAll时，唤醒线程都是使用notifyAll来唤醒线程，因为notify无法唤醒指定线程，从而可能导致死锁。但使用notifyAll也有一个问题，那就是当大量线程来获取锁时，就会产生惊群效应，大量的竞争必然造成资源的剧增和浪费，因此终究只能有一个线程竞争成功，其他线程还是要老老实实的回去等待。而AQS的FIFO的等待队列给解决在锁竞争方面的惊群效应问题提供了一个思路：保持一个FIFO队列，队列每个节点只关心其前一个节点的状态，线程唤醒也只唤醒队头等待线程。
【参考资料】
深入学习java同步器AQS
浅谈Java并发编程系列（九）—— AQS结构及原理分析
Java并发编程之AQS
扒一扒ReentrantLock以及AQS实现原理