AQS全面解析

AQS--AbstractQueuedSynchronizer
-抽象的队列同步器

前置知识

• 公平锁与非公平锁
• 可重入锁
• LockSupport
• 自旋锁
• 链表
• 模板设计模式

1. AQS是什么

抽象的队列同步器
util->concurrent->locks下有三个相互有关联的类

• AbstractOwnablSynchronizer
• AbstractQueuedLongSynchronizer
• AbstractQueuedSynchronizer
  通常讲的AQS指的是第三个：AbstractQueuedSynchronizer
  技术解释：是用来构建锁或者其他同步器组件的重量级基础框架以及整个JUC体系的基石，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作，并通过一个int类型的变量表示持有锁的状态。

CLH队列，是一个单向链表，AQS中的队是CLH变体的虚拟双向队列(FIFO)
有一个head还有一个tail

2.AQS为什么是最重要的基石

和AQS相关的：

• ReentrantLock
• CountDownlatch
• ReentrantReadWriteLock
• Semaphore

这些类中都有private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{ ...}

image.png

2.1 进一步理解锁和同步器

• 锁--面向锁的使用者：定义了程序员和锁交互的使用层面的API，隐藏了实现细节，直接调用。
• 同步者--面向锁的实现者：统一规范，并简化了锁的实现，屏蔽了同步状态管理、阻塞线程排队和通知、唤醒机制等等。

3. AQS能做什么

加了锁就会导致拥堵阻塞，抢不到资源的线程必然涉及到一种排队等候机制，但是等候线程仍然保留获取 锁的可能，并且获取锁流程仍在继续。
这个用来保证锁分配的阻塞等待唤醒机制，主要是用CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列之中来，这个队列就是AQS的抽象表现。他将这些线程封装为结点（node），通过CAS、自旋以及LockSupport.park()的方式，维护state变量的状态，使并发达到同步的控制效果

CLH队列的变体.png

4. AQS初步

AQS使用一个Volatile 的int 类型成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作，将每条要去抢占资源的线程封装成为一个Node结点来实现锁的分配，通过CAS完成对State值的修改。

AQS与Lock类图.png

4.1 AQS中的int变量

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

4.2 AQS中的CLH队列

由单向（只有pre）改良为双向队列
共有四个指针，头、尾、前、后
由尾部入队，由头部出队

小总结：有阻塞就需要排队，使用state自旋进入双向CLH队列

4.3 AQS中的结点Node内部类

Node中包括pre,next,thread：双向的，存储对象是线程
Node的等待状态waitState成员变量

Node的等待状态waitState成员变量.png

Node的等待状态waitState的几个可能的值

    static final class Node {
        //共享
        static final Node SHARED = new Node();
        //独占
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        //表示线程获取锁的请求被取消了
        static final int CANCELLED =  1;
        //表示线程已经准备好了，就等资源释放了
        static final int SIGNAL    = -1;
        //表示线程在等待队列中，等待Condition唤醒
        static final int CONDITION = -2;
        //共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
        //当前线程处于SHARED情况下，该字段才会使用；
        static final int PROPAGATE = -3;

        //初始为0，状态是上面地几种
        volatile int waitStatus;

4.4 AQS的基本结构

image.png

5. 通过ReentrantLock理解AQS

• Lock接口的实现类，基本都是通过【聚合】一个【队列同步器】的子类完成线程访问控制的
  通过查看ReentrantLock源码可以看到，公平锁和非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件：
  hasQueuedPredecessors()
  hasQueuedPredecessors是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效结点的方法。
• 公平锁，先到先得，线程获取锁的时候，如果等待队列中已经有线程正在等待，则进入等待队列。
• 非公平锁，不管是否有等待线程，如果可以获取锁，则立刻占有锁对象。也就是说，队列的第一位在unpark()后，也仍然需要竞争锁（存在竞争的情况下）

5.1. 源码解析

5.1.1 lock/acquire 部分代码

• lock()

        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))//乐观CAS，如果无人占用，则上锁（改变AQS的state）
                //设置当前线程为资源占有线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                //否则，抢占一个位置
                acquire(1);
        }

• acquire()

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&//尝试抢占（1：刚好为空了，2：可重入）
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

• tryAcquire(arg)

//AbstractQueuedSynchronizer.java
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        //接口中只有一行异常，意味着所有实现或者子类必须重写（实现）这个方法
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

//ReeentrantLock.java
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
        ...
        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {//如果当前资源空闲
                //同lock()方法
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //若非空闲，那是否为当前线程本身正在占用（可重入锁机制）
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

• addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

    private Node addWaiter(Node mode) {
        //准备入队，封装线程为Node结点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;//获取队尾
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //队尾为空时，直接入队
        enq(node);
        return node;
    }
    ...
    ...
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {//自旋
            Node t = tail;//tail为尾指针
            if (t == null) { // Must initialize，尾指针为空，则队列为空
                if (compareAndSetHead(new Node()))//新建一个空的头结点（傀儡结点，哨兵结点只用于占位）
                    tail = head;//首尾相等，队列长度为1
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {//(乐观地设置尾结点为准备入队的结点
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

• acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE),arg)

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {//自旋
                //取当前结点的前一结点
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前结点已经是头节点，就意味着该结点排第一位，那就尝试抢占
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//抢占失败之后应该park住，如果自己的前结点不为-1 就将自己的前结点设置为-1（随时等待资源释放）
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
        ...
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;//该节点的前一个结点，这里也是设置哨兵结点的一个作用，防止只有一个有效结点时取前结点报错
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }
    ...
    ...
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;//获取前结点状态
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release该前结点已经设置为等待释放的状态
             * to signal it, so it can safely park.//等待唤醒
             */
            return true;
        if (ws > 0) {//>0意味着该前结点已经设置为了CANCELLED
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and indicate retry.
             * 该结点被取消，忽视该结点，循环获取前置的未被取消的结点
             */
            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.
             */
            //将前置结点的状态设置为-1
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
    ...
    ...
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        //入队的线程park住了
        return Thread.interrupted();
    }

5.1.2 unlock/release 部分代码

• unlock()

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

ReentrantLock的unlock()方法，调用了sync的release(1)`。其中sync就是AQS的子类

• 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;
    }
    ...
    ...
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        //子类必须实现该方法
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;//1-1=0，将AQS的状态清空为0
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                //如果前来释放锁的线程并不是锁的持有线程，则报错
                //IllegalMonitorStateException()
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {//可重入时是否清空了所有层的锁
                free = true;
                //设置当前资源线程为空，空闲可利用
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //设置AQS的状态为可用
            setState(c);
            return free;
        }

• unparkSuccessor(h);

        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)
          //头结点只会设置 waitStatus 为初期值
          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.
         */
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {//清空无效结点、取消结点
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
          //第二个结点才是证证幺唤醒的结点  
          LockSupport.unpark(s.thread);
    }

release的时候永远是unpark第二个结点，而非头节点