前言
java.util.concurrent包（之后簡稱JUC包）中帅刊，提供了大量的同步與并發(fā)的工具類纪蜒，是多線程編程的“利器”。其中l(wèi)ocks包下，包含了多種鎖钳踊，如ReentrantLock獨(dú)占鎖非驮、ReentrantReadWriteLock讀寫鎖畦徘、Semaphore信號(hào)量（共享鎖）等纤掸，而這些鎖有一個(gè)共同的基礎(chǔ)類：AbstractQueuedSynchronizer。
原文地址：http://www.wangjialong.cc/2018/04/06/aqs_info/#more
AQS簡介
AQS是一個(gè)抽象類凫佛，不可以被實(shí)例化讲坎，它的設(shè)計(jì)之初就是為了讓子類通過繼承來實(shí)現(xiàn)多樣的功能的。它內(nèi)部提供了一個(gè)FIFO的等待隊(duì)列愧薛，用于多個(gè)線程等待一個(gè)事件（鎖）晨炕。它有一個(gè)重要的狀態(tài)標(biāo)志——state，該屬性是一個(gè)int值毫炉，表示對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)（如0表示lock瓮栗，1表示unlock）。AQS提供了三個(gè)protected final的方法來改變state的值瞄勾，分別是：getState费奸、setState(int)、compareAndSetState(int, int)进陡。根據(jù)修飾符货邓，它們是不可以被子類重寫的，但可以在子類中進(jìn)行調(diào)用四濒，這也就意味著子類可以根據(jù)自己的邏輯來決定如何使用state值。
/ 同一類中 同一包中 同包內(nèi)的子類 不同包內(nèi)的子類 全局 public + + + + + protected + + + + default（無修飾符） + + + private + java的修飾符作用域如下：
/ 同一類中 同一包中 同包內(nèi)的子類 不同包內(nèi)的子類 全局 public + + + + + protected + + + + default（無修飾符） + + + private + 表中 + 表示可以訪問职辨， 空白表示無法訪問
AQS的子類應(yīng)當(dāng)被定義為內(nèi)部類盗蟆，作為內(nèi)部的helper對(duì)象。事實(shí)上舒裤，這也是juc種鎖的做法喳资，如ReentrantLock，便是通過內(nèi)部的Sync對(duì)象來繼承AQS的腾供。AQS中定義了一些未實(shí)現(xiàn)的方法（拋出UnsupportedOperationException異常）
- tryAcquire(int) 嘗試獲取state
- tryRelease(int) 嘗試釋放state
- tryAcquireShared(int) 共享的方式嘗試獲取
- tryReleaseShared(int) 共享的方式嘗試釋放
- isHeldExclusively() 判斷當(dāng)前是否為獨(dú)占鎖
這些方法是子類需要實(shí)現(xiàn)的仆邓，可以選擇實(shí)現(xiàn)其中的一部分鲜滩。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，可以分為兩種：獨(dú)占鎖和共享鎖节值。其中JUC中鎖的分類為:
- 獨(dú)占鎖：ReentrantLock徙硅、ReentrantReadWriteLock.WriteLock
- 共享鎖：ReentrantReadWriteLock.ReadLock、CountDownLatch搞疗、CyclicBarrier嗓蘑、Semaphore
其實(shí)現(xiàn)方式為：
- 獨(dú)占鎖實(shí)現(xiàn)的是tryAcquire(int)、tryRelease(int)
- 共享鎖實(shí)現(xiàn)的是tryAcquireShared(int)匿乃、tryReleaseShared(int)
如獨(dú)占鎖的實(shí)現(xiàn)方式是：
Acquire:
while (!tryAcquire(arg)) {
//將當(dāng)前線程加入FIFO隊(duì)列中;
//自旋或阻塞當(dāng)前線程;
}
Release:
if (tryRelease(arg))
//喚醒隊(duì)列中的第一個(gè)線程(head);
AQS中還提供了一個(gè)內(nèi)部類ConditionObject桩皿，它實(shí)現(xiàn)了Condition接口，可以用于await/signal幢炸。采用CLH隊(duì)列的算法泄隔，喚醒當(dāng)前線程的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線程，而signalAll喚醒所有線程宛徊。
總的來說佛嬉，AQS提供了三個(gè)功能：
- 實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖
- 實(shí)現(xiàn)共享鎖
- 實(shí)現(xiàn)Condition模型
源碼解析
Node解析
AQS內(nèi)部定義了一個(gè)static final的內(nèi)部類Node，用于實(shí)現(xiàn)等待隊(duì)列CLH岩调，滿足FIFO結(jié)構(gòu)巷燥，其隊(duì)列結(jié)構(gòu)如下所示：
<pre>
+------+ prev +-----+ +-----+
head | | <---- | | <---- | | tail
| | ----> | | ----> | |
+------+ next +-----+ +-----+
</pre>
隊(duì)列為一個(gè)雙向鏈表結(jié)構(gòu)，保存了head号枕、tail兩個(gè)指針缰揪，分別指向鏈表頭部、尾部葱淳。當(dāng)需要添加節(jié)點(diǎn)時(shí)钝腺，直接在tail位置添加，而dequeue操作直接對(duì)head節(jié)點(diǎn)進(jìn)行赞厕。Node中定義如下常量：
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
static final int PROPAGATE = -3;
以上常量分別用于設(shè)置如下屬性的值：
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
Node類型的常量SHARED艳狐、EXCLUSIVE用于設(shè)置nextWaiter，用于表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是共享的皿桑，還是互斥的毫目，分別用于共享鎖和獨(dú)占鎖。int類型的常量CANCELLED诲侮、SIGNAL镀虐、CONDITION、PROPAGATE用于設(shè)置waitStatus沟绪，用于在ConditionObject中使用刮便，可以實(shí)現(xiàn)await/signal模型。
Node有三個(gè)構(gòu)造函數(shù)：
//不存放任何線程绽慈，用于生成哨兵節(jié)點(diǎn)
Node() ;
//用于鎖
Node(Thread thread, Node mode) ;
//用于Condition
Node(Thread thread, int waitStatus) ;
AQS屬性
AQS使用內(nèi)部類Node恨旱，構(gòu)造一個(gè)雙向鏈表辈毯，用作FIFO隊(duì)列；除此之外搜贤，AQS還存放一個(gè)int類型的屬性state谆沃，用于表示當(dāng)前的同步狀態(tài)。
//鏈表頭節(jié)點(diǎn)
private transient volatile Node head;
//鏈表尾節(jié)點(diǎn)
private transient volatile Node tail;
//同步狀態(tài)
private volatile int state;
head節(jié)點(diǎn)是一個(gè)哨兵節(jié)點(diǎn)入客，不存放實(shí)際的“線程”節(jié)點(diǎn)（使用Node的無參構(gòu)造函數(shù)）管毙。tail指向鏈表的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)新增節(jié)點(diǎn)時(shí)桌硫，將新節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前tail的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)夭咬，通過CAS設(shè)置成功后,將新節(jié)點(diǎn)設(shè)為新的tail節(jié)點(diǎn)即可。新增節(jié)點(diǎn)的源碼如下：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { //死循環(huán)
Node t = tail;
if (t == null) { // 空鏈表铆隘，head卓舵、tail都為空
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq操作是一個(gè)無限循環(huán)的操作，最終總會(huì)成功膀钠，但根據(jù)代碼可知掏湾，AQS應(yīng)不是starvation free的，因?yàn)槟硞€(gè)線程可能會(huì)持續(xù)的enq失敗肿嘲。AQS提供了形如doAcquireNanos方法融击，但其超時(shí)返回false操作是在addWaiter方法(內(nèi)部調(diào)用enq)之后，也無法回避enq的starvation雳窟。在此順便說一下尊浪，AQS也是無法保證fair的，也就是說先入隊(duì)列的線程不一定先獲取到鎖封救。節(jié)點(diǎn)的CAS是通過Unsafe來實(shí)現(xiàn)的拇涤，在state中統(tǒng)一說明。
state表示AQS當(dāng)前的同步狀態(tài)誉结，如0表示lock鹅士，1表示unlock狀態(tài)。對(duì)state的操作惩坑，提供了三個(gè)方法掉盅。
//讀取當(dāng)前state
protected final int getState() {
return state;
}
//直接寫入，不考慮當(dāng)前值
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//保證讀-寫的原子性
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
可以看到compareAndSetState使用的是unsafe對(duì)象的compareAndSwapInt方法以舒，傳入this指針怔接，state屬性的偏移地址，期待值expect稀轨，更新值update，可以實(shí)現(xiàn)CAS操作岸军。state屬性的偏移地址獲取方式如下：
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;
static {
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
實(shí)際上奋刽，AQS的head瓦侮、tail節(jié)點(diǎn)，內(nèi)部類Node的waitStatus佣谐、next屬性均使用unsafe對(duì)象肚吏，通過偏移地址來進(jìn)行CAS操作。Unsafe是sun.misc包下的類狭魂，在Java API中沒有官方文檔罚攀，因?yàn)樗怯糜趯?shí)現(xiàn)Java庫的，Java中有一個(gè)功能類似的類雌澄，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)象屬性的CAS操作斋泄，可以參考我的另一篇博客AtomicXFieldUpdater，屬性原子修改的外部工具類镐牺，關(guān)于Unsafe的使用炫掐，可以參考Guide to Unsafe。
AQS還有一個(gè)屬性static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;睬涧，用于表示自旋的時(shí)間募胃，小于1000納秒的采用自旋鎖，大于1000納秒畦浓，使用LockSupport.park方法痹束，將線程掛起。
重要方法分析
AQS是用于實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖或共享鎖的讶请，對(duì)于一個(gè)鎖來說祷嘶，最重要的就是lock和unlock操作了，對(duì)應(yīng)到AQS中秽梅，為acquire抹蚀、release方法，由于AQS需要和子類進(jìn)行“合作”企垦，因此需要子類的定義來進(jìn)行聯(lián)合分析环壤，為簡單起見，使用AQS官方文檔中的示例钞诡，定義獨(dú)占鎖如下：
class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
// Our internal helper class
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// Reports whether in locked state
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
// Acquires the lock if state is zero
public boolean tryAcquire(int acquires) {
assert acquires == 1; // Otherwise unused
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
// Releases the lock by setting state to zero
protected boolean tryRelease(int releases) {
assert releases == 1; // Otherwise unused
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
// Provides a Condition
Condition newCondition() { return new ConditionObject(); }
// Deserializes properly
private void readObject(ObjectInputStream s)
throws IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
// The sync object does all the hard work. We just forward to it.
private final Sync sync = new Sync();
public void lock() { sync.acquire(1); }
public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); }
public void unlock() { sync.release(1); }
public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); }
public boolean isLocked() { return sync.isHeldExclusively(); }
public boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); }
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
}
可以看到郑现，lock方法調(diào)用內(nèi)部類的acquire方法，也就是AQS的acquire方法荧降。unlock方法調(diào)用release方法接箫。
下面對(duì)兩個(gè)流程進(jìn)行分析
acquire
acquire是獨(dú)占鎖的獲取鎖的方法，其源碼如下：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
acquire方法非常簡單朵诫，如果tryAcquire失斝劣选（返回false），則調(diào)用acquireQueued方法，將當(dāng)前線程加入到等待隊(duì)列中废累，并中斷當(dāng)前線程邓梅，等待喚醒。
tryAcquire由子類實(shí)現(xiàn)邑滨，下面先分析acquireQueued方法日缨。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為鏈表第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//park當(dāng)前線程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued在addWaiter之后，再次嘗試獲取鎖掖看，與tryAcquire不同的是匣距，返回true表示未獲取成功，false表示獲取成功哎壳。通過判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為隊(duì)列第一個(gè)節(jié)點(diǎn)毅待，來決定是否獲取成功，acquireQueued方法相當(dāng)于提供了一個(gè)默認(rèn)方法耳峦，會(huì)被子類的tryAcquire方法屏蔽掉（若tryAcquire返回true的話）恩静。
tryAcquire會(huì)調(diào)用子類Mutex.Sync的實(shí)現(xiàn)，其代碼如下：
// 如果state為0蹲坷，則獲取到鎖
public boolean tryAcquire(int acquires) {
assert acquires == 1; // Otherwise unused
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
由此可見,AQS提供了一個(gè)模板驶乾，子類需要實(shí)現(xiàn)其tryAcquire方法，實(shí)現(xiàn)具體的獲取鎖邏輯（通過對(duì)state的讀循签、寫）级乐，子類lock方法直接調(diào)用AQS的acquire方法即可。
release方法
Mutex的unlock方法調(diào)用了release方法县匠，在AQS中定義风科，源碼如下：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
還是同樣的配方，release方法調(diào)用子類實(shí)現(xiàn)的tryRelease乞旦，返回true后贼穆，表示獲取成功，之后判斷頭節(jié)點(diǎn)兰粉，由于鎖的實(shí)現(xiàn)中故痊，waitStatus必定為0，所以不會(huì)執(zhí)行unpark操作玖姑，unpark用于Condition模型中愕秫。tryRelease方法的源碼如下：
// 將state設(shè)置為0，解鎖
protected boolean tryRelease(int releases) {
assert releases == 1; // Otherwise unused
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
由源碼可知焰络，tryRelease只需要將state設(shè)置為0即可戴甩，因?yàn)檎{(diào)用unlock方法的必定是之前調(diào)用lock成功的，因此當(dāng)前state必定為1闪彼，為安全起見甜孤，使用getState判斷是否為0，若為0，說明線程出錯(cuò)缴川。state設(shè)置時(shí)囱稽，不需要調(diào)用CAS方法，只需要setState即可二跋，保證write對(duì)于其他線程可見即可（通過volatile內(nèi)存屏障保證）。
總結(jié)
AQS提供了一個(gè)框架流昏，在其上可以構(gòu)建豐富的線程同步工具類扎即，JUC包中ReadWriteLock、CountDownLatch都是基于AQS實(shí)現(xiàn)的况凉，AQS在JUC包中的地位相當(dāng)重要谚鄙。其類圖如下：
盜圖使用,詳見“JUC鎖”01之 框架
AQS提供了三大功能：獨(dú)占鎖、共享鎖刁绒、ConditionObject闷营。子類在實(shí)現(xiàn)中，可以實(shí)現(xiàn)其一部分方法知市。其編程思想值得借鑒傻盟，通過超類實(shí)現(xiàn)基本的處理流程，將其中部分抽成未實(shí)現(xiàn)方法嫂丙，默認(rèn)拋出異常娘赴，由子類實(shí)現(xiàn)，這種解耦方式跟啤，最大化的減少了代碼的重復(fù)诽表，且便于子類在實(shí)現(xiàn)中個(gè)性化自己的處理邏輯。
很久沒寫博客了隅肥，準(zhǔn)備以AQS入手竿奏，深入分析一下JUC包，flag就這么立起來了腥放，希望可以實(shí)現(xiàn)吧~~
