深入理解AQS

1. AQS实现原理

        AQS中维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里volatile能够保证多线程下的可见性，当state=1则代表当前对象锁已经被占有，其他线程来加锁时则会失败，加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中，比列会被UNSAFE.park()操作挂起，等地其他获取锁的线程释放锁才能被唤醒。

        另外state操作是通过CAS来保证并发修改的安全性。描述图

      AQS中提供了很多锁的实现方法

• getState()：获取锁的标志state值
• setState()：设置锁的标志state值
• tryAcquire(int)：独占方式获取锁。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。

• tryRelease(int)：独占方式释放锁。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

接下来我们以ReentrantLock作为突破点通过源码和画图的形式一步步了解AQS内部实现原理。

二、场景分析

线程一加锁成功

如果同时有三个线程并发抢占锁，此时线程一抢占锁成功，线程二和线程三抢占锁失败，具体执行流程如下：

此时AQS内部数据为：

线程二、线程三加锁失败：

有图可以看出，等待队列中的节点Node是一个双向链表，这里SIGNAL是Node中waitStatus属性，Node中还有一个nextWaiter属性，这个并未在图中画出来，这个到后面Condition会具体讲解的。具体看下抢占锁代码实现：

static final class NonfairSync extends Sync {
    
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

这里使用的ReentrantLock非公平锁，线程进来直接利用CAS尝试抢占锁，如果抢占成功state值被改为1，且设置对象独占锁线程为当前线程。如下所示：

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
    exclusiveOwnerThread = thread;
}

线程二抢占锁失败

我们按照真实场景来分析，线程一抢占锁成功后，state变为1，线程二通过CAS修改state变量必然会失败。此时AQS中FIFO(First In First Out 先进先出)队列中数据如图所示：

我们将线程二执行的逻辑一步步拆解来看：

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

先看看tryAcquire()的具体实现：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

nonfairTryAcquire()方法中首先会获取state的值，如果不为0则说明当前对象的锁已经被其他线程所占有，接着判断占有锁的线程是否为当前线程，如果是则累加state值，这就是可重入锁的具体实现，累加state值，释放锁的时候也要依次递减state值。

如果state为0，则执行CAS操作，尝试更新state值为1，如果更新成功则代表当前线程加锁成功。

以线程二为例，因为线程一已经将state修改为1，所以线程二通过CAS修改state的值不会成功。加锁失败。

线程二执行tryAcquire()后会返回false，接着执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)逻辑，将自己加入到一个FIFO等待队列中，代码实现如下：

private Node addWaiter(Node mode) {    
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

这段代码首先会创建一个和当前线程绑定的Node节点，Node为双向链表。此时等待对内中的tail指针为空，直接调用enq(node)方法将当前线程加入等待队列尾部：

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

第一遍循环时tail指针为空，进入if逻辑，使用CAS操作设置head指针，将head指向一个新创建的Node节点。此时AQS中数据：

执行完成之后，head、tail、t都指向第一个Node元素。接着执行第二遍循环，进入else逻辑，此时已经有了head节点，这里要操作的就是将线程二对应的Node节点挂到head节点后面。此时队列中就有了两个Node节点：

addWaiter()方法执行完后，会返回当前线程创建的节点信息。继续往后执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)逻辑，此时传入的参数为线程二对应的Node节点信息：

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;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndChecknIterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

acquireQueued()这个方法会先判断当前传入的Node对应的前置节点是否为head，如果是则尝试加锁。加锁成功过则将当前节点设置为head节点，然后空置之前的head节点，方便后续被垃圾回收掉。

如果加锁失败或者Node的前置节点不是head节点，就会通过shouldParkAfterFailedAcquire方法 将head节点的waitStatus变为了SIGNAL=-1，最后执行parkAndChecknIterrupt方法，调用LockSupport.park()挂起当前线程。

此时AQS中的数据如下图：

此时线程二就静静的待在AQS的等待队列里面了，等着其他线程释放锁来唤醒它。

线程三抢占锁失败

看完了线程二抢占锁失败的分析，那么再来分析线程三抢占锁失败就很简单了，先看看addWaiter(Node mode)方法：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

此时等待队列的tail节点指向线程二，进入if逻辑后，通过CAS指令将tail节点重新指向线程三。接着线程三调用enq()方法执行入队操作，和上面线程二执行方式是一致的，入队后会修改线程二对应的Node中的waitStatus=SIGNAL。最后线程三也会被挂起。此时等待队列的数据如图：

线程一释放锁

现在来分析下释放锁的过程，首先是线程一释放锁，释放锁后会唤醒head节点的后置节点，也就是我们现在的线程二，具体操作流程如下：

执行完后等待队列数据如下：

此时线程二已经被唤醒，继续尝试获取锁，如果获取锁失败，则会继续被挂起。如果获取锁成功，则AQS中数据如图：

接着还是一步步拆解来看，先看看线程一释放锁的代码：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release()

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

这里首先会执行tryRelease()方法，这个方法具体实现在ReentrantLock中，如果tryRelease执行成功，则继续判断head节点的waitStatus是否为0，前面我们已经看到过，head的waitStatue为SIGNAL(-1)，这里就会执行unparkSuccessor()方法来唤醒head的后置节点，也就是我们上面图中线程二对应的Node节点。

此时看ReentrantLock.tryRelease()中的具体实现：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

执行完ReentrantLock.tryRelease()后，state被设置成0，Lock对象的独占锁被设置为null。此时看下AQS中的数据：

接着执行java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.unparkSuccessor()方法，唤醒head的后置节点：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    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)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

这里主要是将head节点的waitStatus设置为0，然后解除head节点next的指向，使head节点空置，等待着被垃圾回收。此时重新将head指针指向线程二对应的Node节点，且使用LockSupport.unpark方法来唤醒线程二。被唤醒的线程二会接着尝试获取锁，用CAS指令修改state数据。执行完成后可以查看AQS中数据：

此时线程二被唤醒，线程二接着之前被park的地方继续执行，继续执行acquireQueued()方法。