提升--09-1--AQS底层逻辑实现

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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一、怎么解释AQS是什么？

AQS的本质是JUC包下一个抽象类，AbstractQueuedSynchronizer （抽象的队列式同步器）

• AQS是JUC下的一个基础类，目的是为了提供一个共性的功能，让其他类去继承，比如ReentrantLock，CountDownLatch，Semaphore，ThreadPoolExecutor…………
  

二、AQS核心底层和Lock是什么关系？

ReentrantLock的互斥锁功能就是基于AQS实现的。

通过源码可以看到，ReentrantLock类并没有直接继承AQS，而是ReentrantLock的内部类Sync继承了AQS。

Sync也是一个抽象类，他下面有两个实现。一个FairSync，一个NonfairSync。一个公平锁，一个非公平锁。

在ReentrantLock中，公平锁和非公平锁对于lock方法和tryAcquire方法的实现是不同的。

优先聊一下lock方法的区别。

// 非公平锁的lock方法
final void lock() {
    // 不管是否有线程在持有锁资源，直接尝试将state从0改为1,尝试拿锁。
    if (compareAndSetState(0, 1))
        // 拿锁成功了。将当前线程设置到exclusiveOwnerThread
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        // 前面抢锁失败走acquire
        acquire(1);
}

// 公平锁的lock方法
final void lock() {
    acquire(1);
}

分析一下acquire方法中做了什么事

// acquire方法实现
public final void acquire(int arg) {
    //1、tryAcquire方法：尝试获取锁资源的过程。拿到锁返回true，反之返回false。
    // 没拿到锁，才会走2和3。
    //2、addWaiter方法： 将当前没拿到锁的线程封装为Node，添加到同步队列。
    //3、acquireQueued方法： 长时间等待需要挂起线程，并且等到线程排到第一名时，
    //                      需要再次尝试获取锁资源
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

三、AQS如何尝试获取资源？

tryAcquire方法是如何尝试获取锁资源的，tryAcquire方法有两种实现，一种是公平，一种是非公平。

• 判断state为0，那就根据情况抢锁
• state不为0，但是当前线程持有锁，那就走锁重入的逻辑
• 前面都不满足，告辞！

非公平锁的tryAcquire实现

// 非公平锁的实现。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    // 拿到当前线程。
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取state
    int c = getState();
    // 判断state是否为0
    if (c == 0) {
        // 当前没有线程持有锁。非公平锁直接尝试抢锁，抢成功就返回true
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 有线程持有锁。那就判断持有锁的线程是不是当前线程。
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 到这说明是锁重入操作。
        // 将state + 1
        int nextc = c + acquires;
        // 判断+1之后，如果小于0，说明超过int正整数的取值范围了，无法再次重入~
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 将 + 1后的值赋值给state
        setState(nextc);
        // 返回true，锁重入成功~
        return true;
    }
    //没拿到锁，返回false
    return false;
}

公平锁的实现

// 公平锁的实现。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 公平锁这里多了一行hasQueuedPredecessors()
        // 如果没有线程持有锁资源，优先查看是否有排队的线程
        // 1、如果没有线程排队，返回false，代表可以抢锁。
        // 2、如果有排队的，但是当前线程排在“第一名”，返回false，代表可以抢锁。
        // 3、如果有排队的，但是当前线程没有排在“第一名”，返回true，代表不可以抢锁。
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;a
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

四、AQS获取资源失败如何排队？

如果获取锁资源失败，会执行addWaiter方法，去做排队操作。

1. 将当前线程封装Node。
2. 如果同步队列为null，需要优先初始化一个虚拟的Node节点
3. 将当前Node添加到tail的后面。

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 将当前线程封装Node
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 拿到尾结点
    Node pred = tail;
    // 不为null，代表现在有Node对象。
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果pred是null，
    enq(node);
    return node;
}
// 将node添加到同步队列
private Node enq(final Node node) {
    // 死循环是为了确保一定能添加成功
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            // 初始化一个没有线程信息的Node，作为头尾
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

五、AQS排队后如何重新尝试获取资源？

• 挂起需要确保prev节点的状态为-1。
• 重新获取锁资源需要确保当前node是head.next，并且基于tryAcquire去获取锁资源。

// 排队后的挂起操作和获取锁资源的操作
// node就是刚刚去排队的Node
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 拿锁失败了么？？true
    boolean failed = true;
    try {
        // 死循环，拿到锁才能走！！
        for (;;) {
            // 拿到当前Node的上一个Node
            final Node p = node.prev;
            // 只有head.next的node才有资格抢锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 说明拿到锁资源了。
                // 当前node成为新的head，线程和prev都设置为null
                setHead(node);
                p.next = null; 
                failed = false;
                // 拿到成功，返回中断标记位（这里省略了这部分代码）
                return false;
            }
            // 没资格拿，或者没拿到！
            // 需要优先掌握一个知识，Node中有一个waitStatus的状态
            // 1：代表当前Node取消了，不排了，告辞，走人。
            // 0：代表默认状态，啥事没有~
            // -1：代表当前Node的next节点可能挂起了。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                // 基于Unsafe类的park方法，将当前线程挂起！
                parkAndCheckInterrupt())
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // pred是prev
    // node是curr
    // 拿到上一个Node的状态
    int ws = pred.waitStatus;
    // 如果上一个Node状态是-1，返回true，代表可以挂起
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;

    // 上一个节点状态是否是取消状态
    if (ws == 1) {
        // 绕过状态为1的节点，找到一个状态正常的。
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus == 1);
        pred.next = node;
    } else {
        // 如果上一个节点状态正常，直接修改为-1
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

六、AQS如何释放资源？

• 加锁是执行lock，释放锁资源玩的是unlock方法。
• 释放锁会对state做-1操作，如果-1后state为0，代表释放锁资源成功。
• 如果锁资源释放成功，需要查看head状态是否为-1，如果为-1需要唤醒离head最近的有效节点。

// 释放锁资源
public final boolean release(int arg) {
    // 执行tryAcquire释放锁资源
    if (tryRelease(arg)) {
        // 释放干净了！
        // 先拿head
        Node h = head;
        // 如果head不为null，head的状态是否为 -1
        if (h != null && h.waitStatus == -1)
            // 唤醒后面挂起的线程（睡觉的线程）
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
// 释放锁操作。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    // 释放锁资源的线程必须是持有锁资源的线程，否则甩你一个异常。
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // free代表锁释放干净了么？
    boolean free = false;
    // 如果state为0，代表锁资源释放干净了
    // 没进if，就代表没释放干净
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }

    setState(c);
    return free;
}

// 唤醒后续挂起的线程   node是head
private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 拿到head的状态
    int ws = node.waitStatus;
    // 状态是-1，归位0
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // s可能就是要被唤醒的线程
    Node s = node.next;
    // 如果s节点出现了问题，不排队了，那就找离head最近的有效节点唤醒！
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 会从tail开始往前找，找到离head最近的有效节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果s不为null，代表找到了具体要唤醒的Node
    if (s != null)
        // 唤醒对应的线程
        LockSupport.upnark(s.thread);
}