AQS深度解析

浅浅的花香味﹌ 2022-02-26 03:04 342阅读 0赞

# 1、引言 #

在JDK1.5之前，一般是靠synchronized关键字来实现线程对共享变量的互斥访问。synchronized是在字节码上加指令，依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现。

而从JDK1.5以后java界的一位大神—— Doug Lea 开发了AbstractQueuedSynchronizer(AQS)组件，使用原生java代码实现了synchronized语义。换句话说，Doug Lea没有使用更“高级”的机器指令，也不依靠JDK编译时的特殊处理，仅用一个普普通通的类就完成了代码块的并发访问控制，比那些费力不讨好的实现不知高到哪里去了。

java.util.concurrent包有多重要无需多言，一言以蔽之，是Doug Lea大爷对天下所有Java程序员的怜悯。

AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，是整个java.util.concurrent包的基石，Lock、ReadWriteLock、CountDowndLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ThreadPoolExecutor等都是在AQS的基础上实现的。

## 2、细说AQS ##

AQS是AbustactQueuedSynchronizer的简称，它是一个Java提高的底层同步工具类，用一个**int类型的变量表示同步状态**，并提供了一系列的CAS操作来管理这个同步状态。AQS的主要作用是为Java中的并发同步组件提供统一的底层支持，例如ReentrantLock，CountdowLatch就是基于AQS实现的，用法是通过继承AQS实现其模版方法，然后将子类作为同步组件的内部类。

在深入分析AQS之前，我想先从AQS的功能上说明下AQS，站在使用者的角度，AQS的功能可以分为两类：**独占功能和共享功能**，它的所有子类中，要么实现并使用了它独占功能的API，要么使用了共享锁的功能，而不会同时使用两套API，即便是它最有名的子类ReentrantReadWriteLock，也是通过两个内部类：读锁和写锁，分别实现的两套API来实现的，为什么这么做，后面我们再分析，到目前为止，我们只需要明白AQS在功能上有独占控制和共享控制两种功能即可。

## **3、自定义锁** ##

**AQS需实现方法：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**AQS模板方法：**

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> void acquire(int arg) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则会进入同步队列等待，此方法会调用子类重写的tryAcquire方法 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> void acquireInterruptibly(int arg) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，与acquire相同，但是此方法可以响应中断，当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中，如果当前线程被中断，此方法会抛出InterruptedException并返回 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，在acquireInterruptibly基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内没有获取到同步状态，则会返回false,如果获取到了则会返回true </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> boolean release(int arg) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，独占式的释放同步状态，该方法会在释放同步状态后，将同步队列中的第一个节点包含的线程唤醒 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> void acquireShared(int arg) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，共享式的获取同步状态，如果当前系统未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与acquire的主要区别在于同一时刻可以有多个线程获取到同步状态 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> void acquireSharedInterruptibly(int arg) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，与acquireShared一致，但是可以响应中断 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，在acquireSharedInterruptibly基础上增加了超时限制 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> boolean releaseShared(int arg) </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，共享式的释放同步状态 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;"> Collection&lt;Thread&gt; getQueuedThreads() </td> 
 <td style="vertical-align:top;"> 模板方法，获取等待在同步队列上的线程集合 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**自定义锁：**

package multi;
 
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
 import java.util.concurrent.locks.Condition;
 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 
 public class MyLock implements Lock{
 
 private final Sync sync;
 
 public MyLock(){
 sync = new Sync();
 }
 
 private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{
 
 private static final long serialVersionUID = 4206028266355265870L;
 
 protected boolean tryAcquire(int arg) {
 
 int state = getState();
 Thread currentThread = Thread.currentThread();
 if(state == 0){
 if(compareAndSetState(state, arg)){
 
 setExclusiveOwnerThread(currentThread);
 return true;
 }
 }
 
 if(currentThread == getExclusiveOwnerThread()){
 state = getState();
 setState(state + 1);
 return true;
 }
 return false;
 
 }
 
 
 protected boolean tryRelease(int arg) {
 
 if(Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()){
 throw new RuntimeException();
 }
 
 int state = getState() - arg;
 
 if(state < 0 ){
 throw new RuntimeException();
 }
 
 boolean flag = false;
 
 if(state == 0){
 // 先设定当前线程为空后，再设定state值
 setExclusiveOwnerThread(null);
 flag = true;
 }
 
 setState(state);
 return flag;
 
 }
 
 protected Condition newCondition() {
 return new ConditionObject();
 }
 
 }
 
 @Override
 public void lock() {
 sync.acquire(1);
 
 }
 
 @Override
 public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
 sync.acquireInterruptibly(1);
 
 }
 
 @Override
 public boolean tryLock() {
 return sync.tryAcquire(1);
 }
 
 @Override
 public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
 
 return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
 }
 
 @Override
 public void unlock() {
 sync.release(1);
 
 }
 
 @Override
 public Condition newCondition() {
 
 return sync.newCondition();
 }
 
 }

## 4、节点和同步队列 ##

AQS有一个**静态内部类Node**，即CHL队列中的节点对象，对象中包含了前驱节点，后驱节点，等待节点的后续节点，等待获取同步状态的线程引用、等待状态。

**int waitStatus：**

*  1、CANCELLED : 值为1，当线程等待超时或者被中断，则取消等待，设等待状态为-1，进入取消状态则不再变化。
 *  2、SIGNAL : 值为-1。后继节点处于等待状态，当前节点（为-1）被取消或者中断时会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行
 *  3、CONDITION : 值为-2.当前节点处于等待队列，节点线程等待在Condition上，当其他线程对condition执行signall方法时，等待队列转移到同步队列，加入到对同步状态的获取。
 *  4、PROPAGATE：值为-3，与共享模式相关，在共享模式中，该状态标识结点的线程处于可运行状态。
 *  5、0状态：值为0，代表初始化状态。

**Node prev：**前驱节点，当节点加入同步队列的时候被设置（尾部添加）

**Node next：**后继节点

**Node nextWaiter：**Node既可以作为同步队列节点使用，也可以作为Condition的等待队列节点使用(将会在后面讲Condition时讲到)。在作为同步队列节点时，nextWaiter可能有两个值：EXCLUSIVE、SHARED标识当前节点是独占模式还是共享模式；在作为等待队列节点使用时，nextWaiter保存后继节点。

**Thread thread：**获取同步状态的线程。

**同步队列**是AQS很重要的组成部分，它是一个双端队列（其实就是数据结构双向链表），遵循FIFO原则，主要作用是用来存放在锁上阻塞的线程，当一个线程尝试获取锁时，如果已经被占用，那么当前线程就会被构造成一个Node节点加入到同步队列的尾部，队列的头节点是成功获取锁的节点，当头节点线程获得锁时，会唤醒后面的节点并释放当前头节点的引用。

![2019032820194244.png][]

*  **同步队列设置尾节点（未获取到锁的线程加入同步队列）:** 同步器AQS中包含两个节点类型的引用：一个指向头结点的引用（head),一个指向尾节点的引用（tail），当一个线程成功的获取到锁（同步状态），其他线程无法获取到锁，而是被构造成节点（包含当前线程，等待状态）加入到同步队列中等待获取到锁的线程释放锁。**这个加入队列的过程，必须要保证线程安全。否则如果多个线程的环境下，可能造成添加到队列等待的节点顺序错误，或者数量不对。因此同步器提供了CAS原子的设置尾节点的方法（保证一个未获取到同步状态的线程加入到同步队列后，下一个未获取的线程才能够加入）。**  如下图，设置尾节点：
    
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]
 *  ** 同步队列设置首节点（原头节点释放锁，唤醒后继节点）：**同步队列遵循FIFO，头节点是获取锁（同步状态）成功的节点，头节点在释放同步状态的时候，会唤醒后继节点，而后继节点将会在获取锁（同步状态）成功时候将自己设置为头节点。设置头节点是由获取锁（同步状态）成功的线程来完成的，由于只有一个线程能够获取同步状态，则设置头节点的方法不需要CAS保证，只需要将头节点设置成为原首节点的后继节点 ，并断开原头结点的next引用。如下图，设置首节点：
    
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

## **5、独占式的锁的获取** ##

调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，**该方法对中断不敏感**，即线程获取同步状态失败后进入同步队列，后续对线程进行**中断操作**时，线程不会从同步队列中移除。

(1) 当前线程实现通过tryAcquire()方法尝试获取锁，获取成功的话直接返回，如果尝试失败的话，进入同步队列排队，可以保证线程安全（CAS）的获取同步状态。

(2) 如果尝试获取锁失败的话，构造同步节点（独占式的Node.EXCLUSIVE），通过addWaiter(Node node,int args)方法,将节点加入到同步队列的队列尾部。

(3) 最后调用acquireQueued(final Node node, int args)方法，使该节点以死循环的方式获取同步状态，如果获取不到，则阻塞节点中的线程。acquireQueued方法当前线程在死循环中获取同步状态，而只有前驱节点是头节点的时候才能尝试获取锁（同步状态）（ p == head && tryAcquire(arg)）。

原因是：

1.  头结点是成功获取同步状态的节点，而头结点的线程释放锁以后，将唤醒后继节点，后继节点线程被唤醒后要检查自己的前驱节点是否为头结点。
2.  维护同步队列的FIFO原则，节点进入同步队列以后，就进入了一个自旋的过程，每个节点（后者说每个线程）都在自省的观察。

下图为节点自旋检查自己的前驱节点是否为头结点：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

## **独占式的锁的获取源码：** ##

/**    
         *  独占式的获取同步状态           
         */
        public final void acquire(int arg) {
            if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
        }

**尝试获取锁：tryAcquire方法：如果获取到了锁，tryAcquire返回true，反之，返回false。**

//方法2：
 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
 // 获取当前线程
 final Thread current = Thread.currentThread();
 // 获取“独占锁”的状态，获取父类AQS的标志位
 int c = getState();
 //c == 0 意思是锁（同步状态）没有被任何线程所获取
 //1.当前线程是否是同步队列中头结点Node,如果是的话，则获取该锁，设置锁的状态，并设置锁的拥有者为当前线程
 if (c == 0) {
 if (!hasQueuedPredecessors() &&
 
 // 修改下状态为，这里的acquires的值是1，是写死的调用子类的lock的方法的时候
 // 传进来的，如果c == 0，compareAndSetState操作会更新成功为1.
 compareAndSetState(0, acquires)) {
 // 上面CAS操作更新成功为1，表示当前线程获取到了锁，因为将当前线程设置为
 // AQS的一个变量中，代表这个线程拿走了锁。
 setExclusiveOwnerThread(current);
 return true;
 }
 }
 //2.如果c不为0，即状态不为0，表示锁已经被拿走。
 //因为ReetrantLock是可重入锁，是可以重复lock和unlock的，所以这里还要判断一次，
 //获取锁的线程是否为当前请求锁的线程。
 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
 //如果是，state继续加1，这里nextc的结果就会 > 1,这个判断表示获取到的锁的线程，
 //还可以再获取锁，这里就是说的可重入的意思
 int nextc = c + acquires;
 if (nextc < 0)
 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
 setState(nextc);
 return true;
 }
 return false;
 }

**addWaiter方法的源码：回到aquire方法，**如果尝试获取同步状态（锁）失败的话,则构造同步节点（独占式的Node.EXCLUSIVE），通过addWaiter(Node node,int args)方法将该节点加入到同步队列的队尾。

/**
        * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
        * 如果尝试获取同步状态失败的话,则构造同步节点（独占式的Node.EXCLUSIVE），
        * 通过addWaiter(Node node,int args)方法将该节点加入到同步队列的队尾。
        * 
        */
        private Node addWaiter(Node mode) {
            // 用当前线程构造一个Node对象，mode是一个表示Node类型的字段，
            // 或者说是这个节点是独占的还是共享的，或者说AQS的这个队列中，
            // 哪些节点是独占的，哪些节点是共享的。
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
            Node pred = tail;
            //队列不为空的时候
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                // 确保节点能够被线程安全的添加，使用CAS方法
                // 尝试修改为节点为最新的节点，如果修改失败，意味着有并发，
                // 这个时候进入enq中的死循环，进行“自旋”的方式修改
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            //进入自旋
            enq(node);
            return node;
        }

**enq方法的源码：同步器通过死循环的方式来保证节点的正确添加，在“死循环” 中通过CAS将节点设置成为尾节点之后，当前线程才能从该方法中返回，否则当前线程不断的尝试设置。enq方法将并发添加节点的请求通过CAS变得“串行化”了。**

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;
                    }
                }
            }
        }

**acquireQueued方法:在队列中的线程获取锁的过程：**

/**
        * acquireQueued方法当前线程在死循环中获取同步状态，而只有前驱节点是头节点才能尝试获取
          同步状态（锁）（ p == head && tryAcquire(arg)）
        *原因是:1.头结点是成功获取同步状态（锁）的节点，而头节点的线程释放了同步状态以后，
                  将会唤醒其后继节点，后继节点的线程被唤醒后要检查自己的前驱节点是否为头结点。
        *      2.维护同步队列的FIFO原则，节点进入同步队列之后，就进入了一个自旋的过程，
                  每个节点（或者说是每个线程）都在自省的观察。 
        */
        final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            boolean failed = true;
            try {
                boolean interrupted = false;
                //死循环检查（自旋检查）当前节点的前驱节点是否为头结点，才能获取锁
                for (;;) {
                    // 获取节点的前驱节点
                    final Node p = node.predecessor();
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) {//节点中的线程循环的检查，自己的前驱节点是否为头节点
                        //将当前节点设置为头结点，移除之前的头节点
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // 检查前一个节点的状态，看当前获取锁失败的线程是否要挂起
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        //如果需要挂起，借助JUC包下面的LockSupport类的静态方法park挂起当前线程，直到被唤醒
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally {
                //如果有异常
                if (failed)
                    //取消请求，将当前节点从队列中移除
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

## **独占锁的释放：下面直接看源码：** ##

/* 
      1. unlock():unlock()是解锁函数，它是通过AQS的release()函数来实现的。
     * 在这里，“1”的含义和“获取锁的函数acquire(1)的含义”一样，它是设置“释放锁的状态”的参数。
     * 由于“公平锁”是可重入的，所以对于同一个线程，每释放锁一次，锁的状态-1。
    
        unlock()在ReentrantLock.java中实现的，源码如下：
     */
        public void unlock() {
            sync.release(1);
        }

release()会调用tryRelease方法尝试释放当前线程持有的锁（同步状态），成功的话唤醒后继线程，并返回true，否则直接返回false。

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

// tryRelease() 尝试释放当前线程的同步状态（锁）
      protected final boolean tryRelease(int releases) {
                //c为释放后的同步状态
              int c = getState() - releases;
              //判断当前释放锁的线程是否为获取到锁（同步状态）的线程，不是抛出异常（非法监视器状态异常）
              if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                  throw new IllegalMonitorStateException();
              boolean free = false;
              //如果锁（同步状态）已经被当前线程彻底释放，则设置锁的持有者为null，同步状态（锁）变的可获取
              if (c == 0) {
                  free = true;
                  setExclusiveOwnerThread(null);
              }
              setState(c);
              return free;
          }

释放锁成功后，找到AQS的头结点，并唤醒它即可：

// 4. 唤醒头结点的后继节点
 
 private void unparkSuccessor(Node node) {
 //获取头结点（线程）的状态
 int ws = node.waitStatus;
 //如果状态<0,设置当前线程对应的锁的状态为0
 if (ws < 0)
 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
 
 Node s = node.next;
 
 //解释:Thread to unpark is held in successor, which is normally just the next node. 
 //But if cancelled or apparently（显然） null, traverse backwards(向后遍历) from tail to find the actual（实际的） non-cancelled successor（前继节点）.
 //从队列尾部开始往前去找最前面的一个waitStatus小于0的节点。
 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;
 }
 //唤醒后继节点对应的线程
 if (s != null)
 LockSupport.unpark(s.thread);
 }

上面说的是ReentrantLock的公平锁获取和释放的AQS的源码，唯独还剩下一个非公平锁NonfairSync没说，其实，它和公平锁的唯一区别就是获取锁的方式不同，公平锁是按前后顺序一次获取锁，非公平锁是抢占式的获取锁，那ReentrantLock中的非公平锁NonfairSync是怎么实现的呢？

/**
         * Sync object for non-fair locks
         */
        static final class NonfairSync extends Sync {
            private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
    
            /**
             * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
             * acquire on failure.
             */
            final void lock() {
                if (compareAndSetState(0, 1))
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                else
                    acquire(1);
            }
    
            protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
                return nonfairTryAcquire(acquires);
            }
        }

公平锁会先进行！hasQueuedPredecessors（）判断，为true时在进行CAS操作。而非公平锁的lock先直接用cas判断state变量是否为0（尝试获取锁），成功的话更新成1，表示当前线程获取到了锁，不需要在排队，从而直接抢占的目的。而对于公平锁的lock方法是一开始就走AQS的双向队列排队获取锁。

**非公平锁的效率比公平锁的效率高。因为公平锁的线程切换次数大于非公平锁（释放后在获取的几率高），会造成额外的开销。但是非公平会造成线程饥饿的问题。**

**       总结:在获取同步状态的时候，同步器维护一个同步队列，获取失败的线程会被加入到队列中并在队列中自旋;移除队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头结点并且获取到了同步状态。在释放同步状态时，同步器调用tryRelease(int args)方法释放同步状态，然后唤醒头结点的后继节点。****AQS的实现思路其实并不复杂，用一句话准确的描述的话，其实就是使用标志状态位status（volatile int state）和 一个双向队列的入队和出队来实现。AQS维护一个线程何时访问的状态，它只是对状态负责，而这个状态的含义，子类可以自己去定义。**

**参考：**

**《Java并发编程的艺术》**

[https://www.cnblogs.com/200911/p/6031350.html][https_www.cnblogs.com_200911_p_6031350.html]

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