AQS框架最最最简单流程梳理

川长思鸟来 2023-09-26 22:38 27阅读 0赞

#### AQS框架最最最简单流程梳理 ####

AQS是Lock的基础，之前一直想自己梳理一下，奈何一直没有静下心来梳理，这里记录并做梳理，文章基于JDK 1.8。

独占锁的上锁流程

AQS源码中给了我们一个最常见的互斥锁的代码示例：

public class MutexCustom implements Lock {
    
        public static final int STATUS_ORIGIN = 0;
        public static final int STATUS_TARGET = 1;
        private Sync sync;
    
        public MutexCustom() {
            sync = new Sync();
        }
    
        public static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
            @Override
            protected boolean tryAcquire(int arg) {
                if (compareAndSetState(STATUS_ORIGIN, STATUS_TARGET)) {
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                }
                return false;
            }
    
            @Override
            protected boolean tryRelease(int arg) {
                setState(STATUS_ORIGIN);
                setExclusiveOwnerThread(null);
                return true;
            }
    
            @Override
            protected boolean isHeldExclusively() {return true;}
    
            public Condition newCondition() {return new ConditionObject();}
    
            public int getCurrState() {return getState();}
        }
    
        @Override
        public void lock() {sync.acquire(STATUS_TARGET);}
    
        @Override
        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {sync.acquireInterruptibly(STATUS_TARGET);}
    
        @Override
        public boolean tryLock() {return sync.tryAcquire(STATUS_TARGET);}
    
        @Override
        public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
            return sync.tryAcquireNanos(STATUS_TARGET, unit.toNanos(time));
        }
    
        @Override
        public void unlock() {sync.release(STATUS_TARGET);}
    
        @Override
        public Condition newCondition() {return sync.newCondition();}
    
        public int getState() {return sync.getCurrState();}
    }
    复制代码

我们先来关注最基础的最基础的最基础的锁的功能，也就是`acquire获取锁`和`release释放锁`

acquire获取锁

public final void acquire(int arg) {
        	// Node.EXCLUSIVE为null
            if (!tryAcquire(arg) &&
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
        }
    复制代码

这里有三个主要的方法：

1.  tryAcquire尝试获取锁，得到true，也就是获取到锁直接返回，也就是不会走里面的方法体，直接执行临界区的代码了。
2.  tryAcquire返回false，执行addWaiter，顾名思义，把自己加到等待的nodeList最后面
3.  acquireQueued

首先明确锁是怎么生效的，如果这3个方法都很快的返回了结果，不管返回的是true还是false，都会继续往下执行，区别只不过是执不执行selfInterrupt()方法罢了，并没有影响当前线程继续往后执行后续方法，也就是临界区代码。

如果这三个方法里面有某一个方法没有很快的返回结果，而是把自己困在了一个`while`或者`for(;;)`循环里面，或者使用`LockSupport.park()`方法，那么这个线程就阻塞住了，不能继续往后执行后续的临界区代码，那这个时候就实现了阻塞。

在合理的逻辑下竞争和释放这个阻塞的代码就实现了锁。  
那究竟是在哪个方法里面阻塞住了呢？我们挨个方法去看：

1.1. tryAcquire

// 需要被重写，给出获取资源逻辑
    // 比如最简单的互斥锁，只需要在state为0的时候compareAndSetState(0,1)成功返回true就好了。
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    复制代码

这个没有什么好说的，既然AQS是实现Lock的基础框架，那肯定就要把逻辑代码空出来让开发者自己去实现，返回true表示竞争到了锁，可以执行临界区代码，反之没有竞争到锁，需要等待锁的释放并重新竞争。

1.2. addWaiter

private Node addWaiter(Node mode) {
        	// mode如果是Node.EXCLUSIVE则为null，so，node的next现在为null
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            // 尝试快速插入到最尾端，也就是把新创建的node放到tail的next，然后用node取代tail。
            // tail是全局变量，初始化为null
            Node pred = tail;
            // 前提是tail不为空
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            // 如果tail为空则直接走enq方法。
            enq(node);
            return node;
        }
    
        // 其实比快速插入不一样的就是如果没有tail，把tail赋值成head，然后再继续append
        private Node enq(final Node node) {
            for (;;) {
                Node t = tail;
                if (t == null) { // Must initialize
                	// 初始化状态tail为null，给head设置一个new Node(),同时把tail也指向这个head
                	// tail\head同为全局变量，初始化都为null
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else {
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }
    复制代码

看着注释理一遍： `addWaiter`方法顾名思义，就是把自己的node插入到链表的最尾端，加入抢占资源的排队序列，等待抢占资源。 需要注意的是，`tail / head`都是全局变量，都是初始化为null，刚开始运行的时候`tail / head`都为null，如果tail为null，会走`enq`方法，做了两件事

1.  tail为null，先把head初始化为一个`new Node()`，同时暂时把tail赋值为head。
2.  把当前node赋值为head的next，同时当前node作为tail。

注意返回值是t，而不是当前node，也就是返回node的preNode，是t，上述情况下当前链表有两个值*head->tail*，返回的应该是是head而不是tail。当然这里调用`enq`方法并没有使用它的返回值。`addWaiter`方法返回值是当前node。

所以从空链表初始化结束后，链表里应该有两个节点，而不是只有一个head节点，保证了工作节点能获取到一个pre节点。

> compareAndSetHead和compareAndSetTail这些CAS方法都不是阻塞的，都是Unsafe方法实现，所谓乐观锁，不用关心脏数据，只需关心成功或者失败。

1.3. acquireQueued

这里附上一个Node状态的表格：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>值</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>CANCELLED</td> 
   <td>1</td> 
   <td>当前节点由于超时或者中断被取消，节点进入这个状态以后将保持不变。 注：这是唯一大于0的值，很多判断逻辑会用到这个特征</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SIGNAL</td> 
   <td>-1</td> 
   <td>后继节点会依据此状态值来判断自己是否应该阻塞、当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消、会通知后继节点、后继节点会获取锁并执行（当一个节点的状态为SIGNAL时就意味着其后置节点应该处于阻塞状态）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONDITION</td> 
   <td>-2</td> 
   <td>当前节点正处在等待队列中，在条件达成前不能获取锁。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PROPAGATE</td> 
   <td>-3</td> 
   <td>当前节点获取到锁的信息需要传递给后继节点，共享锁模式使用该值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>INITIAL</td> 
   <td>0</td> 
   <td>节点初始状态，默认值，表示当前节点在sync同步阻塞队列中，等待着获取锁</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

// 放入等待队列
        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)) {
                    	// 如果前一个节点是head并且这时获取到了临界资源，把当前node设置为head，head的next置为null
                    	// 两个条件：
                    	// 			1. node是head的next节点，也就是轮到它了。
                    	// 			2. tryAcquire(arg)得到了资源，也就是获取到了锁。
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // 注意哈，这里是&&，也就是shouldParkAfterFailedAcquire方法返回true才会执行parkAndCheckInterrupt，两个方法同时返回true才会执行interrupted = true
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }
    
        // 检测失败的时候是否需要阻塞自己，我要睡觉了，等人来叫醒我再检测是不是需要排队。
        private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        	// 注意，ws是上一个节点的status
            int ws = pred.waitStatus;
            // SINGAL: 此node的后续node通过park把阻塞住了，所以当前node在release或者取消acquire的时候必须unpark一下后续的node。
            // （当一个节点的状态为SIGNAL时就意味着其后置节点应该处于阻塞状态）
            if (ws == Node.SIGNAL)
            	// 前置节点已经设置了SIGNAL，可以阻塞我的线程了，后续检测到Node.SIGNAL会唤醒我的线程
                return true;
            if (ws > 0) {
                // 前置节点被设置为cancel了，跳过pre，我来当pre, ^_^
                do {
                    node.prev = pred = pred.prev;
                } while (pred.waitStatus > 0);
                pred.next = node;
            } else {
                // 检测到自己是INITAL或者PROPAGATE，把pre的status设置为SIGNAL，继续循环
                compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
            }
            return false;
        }
    
        //park睡觉了，睡醒了之后检测是否需要中断。
        private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
            LockSupport.park(this);
            return Thread.interrupted();
        }
    复制代码

注释很清晰了，梳理一下：

`acquireQueued`方法顾名思义，尝试获取锁，获取不到就进入队列等待。

1.  acquire处在一个for(;;)死循环中, 获取锁需要两个条件：  
    1.1. 前置节点是head，也就是轮到我自己获取锁了  
    1.2. tryAcquire(arg)==true，也就是竞争到了锁
2.  没必要一直尝试获取锁，把自己标记为需要唤醒，同时调用park阻塞，告诉predecessor，需要的时候unpark我。

`LockSupport.park(this);`之后当前线程会阻塞，直到有unpark操作才会继续往后执行。所以在for(;;)死循环中并没有一直尝试获取锁，在获取不到之后会阻塞自己，并把node的状态标记为`SIGNAL`。后续看到node的状态为`SIGNAL`，在自己的锁释放后会调用unpark唤醒自己继续执行for(;;)中没有执行完的部分，继续尝试tryAcquire获取锁，这时就能获取到锁并结束循环了。  
这就是最基础的获取锁的功能。

release释放锁

public final boolean release(int arg) {
            if (tryRelease(arg)) {
                Node h = head;
                // head不为空，并且status不是初始状态，则需要唤醒unpark一下下一个节点。否则下个节点还没有阻塞，不需要unpark唤醒。
                if (h != null && h.waitStatus != 0)
                    unparkSuccessor(h);
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        // 需要unpark唤醒下一个节点
        private void unparkSuccessor(Node node) {
            int ws = node.waitStatus;
            if (ws < 0)
                compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    
            // 需要unpark的Thread被当前node的继任node持有，通常情况下是下一个node，但是有可能是cancel状态或者是null，
            // 从尾部逆序往前遍历以找到状态不是canceled的继任者。
            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;
            }
            // 唤醒下个节点
            if (s != null)
                LockSupport.unpark(s.thread);
        }
    复制代码

释放锁的流程看起来就简单了一些。`tryRelease`成功释放锁之后，找到下个节点，唤醒他。

至于为什么需要从后往前遍历而不是从前往后遍历：

private Node enq(final Node node) {
            for (;;) {
                Node t = tail;
                if (t == null) { // Must initialize
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else {
                    //看这一块的代码
                    node.prev = t;
                    // ①
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        // ②
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }
    复制代码

这段代码是往tail插入新的next节点，使用CAS保证安全，如果当前线程执行到了②，但是这时有一个新线程执行到了①，新线程只执行了把node的pre指向了tail，这时tail的next仍然为null，这时tail变了再执行CAS就会失败了。  
这种情况下从后往前遍历是能够找到的，所以是安全的。

作者：Yocn  
链接：https://juejin.cn/post/7225061494601400375