大家好，我是小黑，一个在互联网苟且偷生的农民工。
在Java并发编程中，经常会用到锁，除了Synchronized这个JDK关键字以外，还有Lock接口下面的各种锁实现，如重入锁ReentrantLock，还有读写锁ReadWriteLock等，他们在实现锁的过程中都是依赖与AQS来完成核心的加解锁逻辑的。那么AQS具体是什么呢？
提供一个框架，用于实现依赖先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量，事件等）。 该类被设计为大多数类型的同步器的有用依据，这些同步器依赖于单个原子int值来表示状态。 子类必须定义改变此状态的受保护方法，以及根据该对象被获取或释放来定义该状态的含义。 给定这些，这个类中的其他方法执行所有排队和阻塞机制。 子类可以保持其他状态字段，但只以原子方式更新int使用方法操纵值getState() ， setState(int)和compareAndSetState(int, int)被跟踪相对于同步。
上述内容来自JDK官方文档。
简单来说，AQS是一个先进先出(FIFO)的等待队列，主要用在一些线程同步场景，需要通过一个int类型的值来表示同步状态。提供了排队和阻塞机制。
类图结构
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从类图可以看出，在ReentrantLock中定义了AQS的子类Sync，可以通过Sync实现对于可重入锁的加锁，解锁。
AQS通过int类型的状态state来表示同步状态。
AQS中主要提供的方法：
acquire(int) 独占方式获取锁
acquireShared(int) 共享方式获取锁
release(int) 独占方式释放锁
releaseShared(int) 共享方式释放锁
独占锁和共享锁
关于独占锁和共享锁先给大家普及一下这个概念。
独占锁指该锁只能同时被一个线程持有；
共享锁指该锁可以被多个线程同时持有。
举个生活中的例子，比如我们使用打车软件打车，独占锁就好比我们打快车或者专车，一辆车只能让一个客户打到，不能两个客户同时打到一辆车；共享锁就好比打拼车，可以有多个客户一起打到同一辆车。
AQS内部结构
我们简单通过一张图先来了解下AQS的内部结构。其实就是有一个队列，这个队列的头结点head代表当前正在持有锁的线程，后续的其他节点代表当前正在等待的线程。
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接下来我们通过源码来看看AQS的加锁和解锁过程。先来看看独占锁是如何进行加解锁的。
独占锁加锁过程
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
public void lock() {
// 调用sync的lock方法
sync.lock();
}
可以看到在ReentrantLock的lock方法中，直接调用了sync这个AQS子类的lock方法。
final void lock() {
// 获取锁
acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
// 1.先尝试获取，如果获取成功，则直接返回，代表加锁成功
if (!tryAcquire(arg) &&
// 2.如果获取失败，则调用addWaiter在等待队列中增加一个节点
// 3. 调用acquireQueued告诉前一个节点，在解锁之后唤醒自己,然后线程进入等待状态
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// 如果在等待过程中被中断，则当前线程中断
selfInterrupt();
}
在获取锁时，基本可以分为3步：
- 尝试获取，如果成功则返回，如果失败，执行下一步；
- 将当前线程放入等待队列尾部；
- 标记前面等待的线程执行完之后唤醒当前线程。
/**
* 尝试获取锁（公平锁实现）
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
// 获取state，初始值为0，每次加锁成功会+1，解锁成功-1
int c = getState();
// 当前没有线程占用
if (c == 0) {
// 判断是否有其他线程排队在本线程之前
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有，通过CAS进行加锁
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 将当前线程设置为AQS的独占线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 如果当前线程是正在独占的线程（已持有锁，重入）
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// state+1
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创建一个当前线程的Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
// 如果等待队列的尾节点!=null
if (pred != null) {
// 将本线程对应节点的前置节点设置为原来的尾节点
node.prev = pred;
// 通过CAS将本线程节点设置为尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//尾节点为空，或者在CAS时失败，则通过enq方法重新加入到尾部。(本方法内部采用自旋)
enq(node);
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 尾节点为空，代表等待队列还没有被初始化过
if (t == null) {
// 创建一个空的Node对象，通过CAS赋值给Head节点，如果失败，则重新自旋一次，如果成功，将Head节点赋值给尾节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 尾节点不为空的情况，说明等待队列已经被初始化过，将当前节点的前置节点指向尾节点
node.prev = t;
// 将当前节点CAS赋值给尾节点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标识是否加锁失败
boolean failed = true;
try {
// 是否被中断
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 取出来当前节点的前一个节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前一个节点是head节点，那么自己就是老二，这个时候再尝试获取一次锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 如果获取成功，把当前节点设置为head节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false; // 标识加锁成功
return interrupted;
}
// shouldParkAfterFailedAcquire 检查并更新前置节点p的状态，如果node节点应该阻塞就返回true
// 如果返回false，则自旋一次。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 当前线程阻塞，在阻塞被唤醒时，判断是否被中断
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed) // 如果加锁成功，则取消获取锁
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) // ws == -1
/*
* 这个节点已经设置了请求释放的状态，所以它可以在这里安全park.
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* 前置节点被取消了，跳过前置节点重试
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* 将前置节点的状态设置为请求释放
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
在整个加锁过程可以通过下图更清晰的理解。
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独占锁解锁过程
public void unlock() {
sync.release(1);
}
同样解锁时也是直接调用AQS子类sync的release方法。
public final boolean release(int arg) {
// 尝试解锁
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 解锁成功，如果head!=null并且head.ws不等0，代表有其他线程排队
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 唤醒后续等待的节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
解锁过程如下：
- 先尝试解锁，解锁失败则直接返回false。(理论上不会解锁失败，因为正在执行解锁的线程一定是持有锁的线程)
- 解锁成功之后，如果有head节点并且状态不是0，代表有线程被阻塞等待，则唤醒下一个等待的线程。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// state - 1
int c = getState() - releases;
// 如果当前线程不是独占AQS的线程，但是这时候又来解锁，这种情况肯定是非法的。
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) { // 如果状态归零，代表锁释放了，将独占线程设置为null
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 将减1之后的状态设置为state
setState(c);
return free;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* 如果节点的ws小于0，将ws设置为0
*/
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* 从等待队列的尾部往前找，直到第二个节点，ws<=0的节点。
*/
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;
}
// 如果存在符合条件的节点，unpark唤醒这个节点的线程。
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
共享锁加锁过程
为了实现共享锁，AQS中专门有一套和排他锁不同的实现，我们来看一下源码具体是怎么做的。
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
public final void acquireShared(int arg) {
// tryAcquireShared 尝试获取共享锁许可，如果返回负数标识获取失败
// 返回0表示成功，但是已经没有多余的许可可用，后续不能再成功，返回正数表示后续请求也可以成功
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 申请失败，则加入到共享等待队列
doAcquireShared(arg);
}
tryAcquireShared尝试获取共享许可，本方法需要在子类中进行实现。不同的实现类实现方式不一样。
下面的代码是ReentrentReadWriteLock中的实现。
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 当前有独占线程正在持有许可，并且独占线程不是当前线程，则返回失败（-1）
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 没有独占线程，或者独占线程是当前线程。
// 获取已使用读锁的个数
int r = sharedCount(c);
// 判断当前读锁是否应该阻塞
if (!readerShouldBlock() &&
// 已使用读锁小于最大数量
r < MAX_COUNT &&
// CAS设置state，每次加SHARED_UNIT标识共享锁+1
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (r == 0) { // 标识第一次加读锁
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
// 重入加读锁
firstReaderHoldCount++;
} else {
// 并发加读锁，记录当前线程的读的次数，HoldCounter中是一个ThreadLocal。
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
// 否则自旋尝试获取共享锁
return fullTryAcquireShared(current);
}
本方法可以总结为三步：
- 如果有写线程独占，则失败，返回-1
- 没有写线程或者当前线程就是写线程重入，则判断是否读线程阻塞，如果不用阻塞则CAS将已使用读锁个数+1
- 如果第2步失败，失败原因可能是读线程应该阻塞，或者读锁达到上限，或者CAS失败，则调用fullTryAcquireShared方法。
private void doAcquireShared(int arg) {
// 加入同步等待队列，指定是SHARED类型
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 取到当前节点的前一个节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前一个节点是头节点，则当前节点是第二个节点。
if (p == head) {
// 因为是FIFO队列,所以当前节点这时可以再尝试获取一次。
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 获取成功，把当前节点设置为头节点。并且判断是否需要唤醒后面的等待节点。
// 如果条件允许，就会唤醒后面的节点
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 如果前置节点不是头结点，说明当前节点线程需要阻塞等待，并告知前一个节点唤醒
// 检查并更新前置节点p的状态，如果node节点应该阻塞就返回true
// 当前线程被唤醒之后，会从parkAndCheckInterrupt()执行
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
共享锁释放过程
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
//tryReleaseShared()尝试释放许可，这个方法在AQS中默认抛出一个异常，需要在子类中实现
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 唤醒线程，设置传播状态 WS
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
AQS是很多并发场景下同步控制的基石，其中的实现相对要复杂很多，还需要多看多琢磨才能完全理解。本文也是和大家做一个初探，给大家展示了核心的代码逻辑，希望能有所帮助。
好的，本期内容就到这里，我们下期见。