一 簡介-API 文檔閱讀

提供一個基于 FIFO 等待隊列實現(xiàn)阻塞鎖和相關(guān)同步器的基礎(chǔ)框架。這個類被設(shè)計用于依靠一個原子類 int 值表示狀態(tài)并成為大多數(shù)同步器的基礎(chǔ)類磕仅。通過繼承這個類并實現(xiàn)必要的方法來使用它钠龙。子類通過維護內(nèi)部的 state 字段來獲取和更新線程狀態(tài)蝗拿。這一系列方法包含 getState/setState 等。API 文檔推薦我們在使用這個類的時候样屠，將其作為目標(biāo)類的一個內(nèi)部類來實現(xiàn)穿撮，并且也不對外公開。

這個類支持默認的獨占(exclusive)模式或者共享(share)模式痪欲，或者同時支持這兩種模式悦穿。在獨占模式下獲取到鎖后，其他嘗試獲取鎖的線程都會失敗业踢。在共享模式下多個線程嘗試獲取鎖或許會成功栗柒。

在共享模式下一個線程獲取鎖成功，后續(xù)存在的等待線程在獲取鎖的時候還是要重復(fù)判斷一下是否可以獲取鎖知举。在不同的模式下等待的線程共享了同一個 FIFO 隊列瞬沦。 一般來說，這個框架接口的實現(xiàn)類只會實現(xiàn)一種模式(共享或者獨占)雇锡。支持單一模式的類不需要實現(xiàn)另一個模式下需要實現(xiàn)的方法逛钻。

AQS 內(nèi)部包含一個實現(xiàn)了 Condition 接口的 ConditionObject 內(nèi)部類。該類內(nèi)部維護了一個 Condition 的 Node 隊列遮糖。包含 Node-firstWaiter 與 Node-lastWaiter绣的。一系列的內(nèi)部私有方法用于對這個隊列的維護和操作。

private Node addConditionWaiter()

添加一個 Node 節(jié)點到當(dāng)前 Condition 隊列的隊尾。

AQS 同步器是 java.util.concurrent 并發(fā)包下許多工具類的基礎(chǔ)框架屡江。包括 RetreensLock芭概。

public abstract class AbstractQueuedLongSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {

AQS 類的編寫用到了 模板方法設(shè)計模式，由抽象類定義同步器需要實現(xiàn)的方法惩嘉，具體的鎖或者基于 AQS 的同步器在繼承了這個類之后要按要求實現(xiàn)指定的方法罢洲。

使用方式

如果想要以 AQS 類作為基類，需要重新定義如下的系列方法文黎，這系列方法用戶獲取/設(shè)置 state 的值

• tryAcquire
• tryRelease
• tryAcquireShared
• tryReleaseShared
• isHeldExclusively

二 部分代碼閱讀

2.1 acquire(int arg)

acquire.png

在獨占模式下多個線程競爭同一個對象監(jiān)視器的時候惹苗，首先的第一步就是去獲取監(jiān)視器，這里會調(diào)用到這個方法(比如 ReentrantLock)

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

先從整體的邏輯說一下這個方法及其內(nèi)部調(diào)用的一系列方法的邏輯：

多個線程進入耸峭，爭用對象監(jiān)視器桩蓉。爭用成功即持有鎖，失敗的會先加入內(nèi)部維護的等待隊列劳闹，這個隊列是一個雙向的 Node 鏈表院究。

獨占模式下獲取對象監(jiān)視器的方法，首先執(zhí)行 tryAcquire()本涕，如果獲取失敗就將當(dāng)前線程加入隊列中业汰，加入隊列之后再次嘗試獲取鎖。

在 AQS 中沒有給出具體的 tryAcquire 方法實現(xiàn)邏輯菩颖，抽象類中的方法中僅僅以拋出異常來結(jié)束样漆。所以這個方法的具體實現(xiàn)，要依賴使用 AQS 框架的人晦闰。這里僅僅是給出了方法范式放祟。

    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

依賴于 AQS 框架的實現(xiàn)，就是在 tryAcquire 里面去獲取/修改 AQS 內(nèi)部維護的 state 狀態(tài)值鹅髓，基本上都是使用 cas 方式來更新鎖標(biāo)識字段舞竿。

在直接調(diào)用 tryAcquire 方法失敗后京景，就需要將當(dāng)前線程加入 FIFO 的等待隊列窿冯，這里調(diào)用了 addWaiter 方法

    private Node addWaiter(Node mode) {
        // 將當(dāng)前線程包裝構(gòu)造為一個 node 節(jié)點
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure 先嘗試快速入隊，如果嘗試失敗确徙，還是會執(zhí)行 enq 方法將已經(jīng)包裝好的 node 節(jié)點入隊
        // 獲取尾節(jié)點引用并檢查尾節(jié)點是否為 null醒串，如果是則執(zhí)行執(zhí)行 enq 方法入隊，如果不是則執(zhí)行前面注釋的 'fast path of enq'
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            // 獲取尾節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點
            node.prev = pred;
            // 嘗試使用 cas 方式將包裝的節(jié)點以尾插法加入隊列
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                // 入隊成功鄙皇，調(diào)整 sync 隊列尾節(jié)點位置并返回已經(jīng)包裝好的 node 節(jié)點
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 走到這里芜赌，則說明前面的快速入隊策略沒有成功，那么最終還是要執(zhí)行 enq 方法入隊
        enq(node);
        return node;
    }

node 隊列.png

此處傳入的 mode 參數(shù)是 獨占模式伴逸，然后將當(dāng)前線程構(gòu)造成一個 node 節(jié)點缠沈。這里加入等待隊列有兩種策略，第一種當(dāng) tail 節(jié)點不為空的時候，直接嘗試使用 CAS 方式將新節(jié)點加入到隊尾洲愤；當(dāng) tail 為空颓芭，則調(diào)用了 enq 入隊方法，總結(jié)一下柬赐，進入到 enq 方法的場景列表：

• 尾節(jié)點為空亡问，即整個 sync 隊列還未初始化
• cas 尾插法將節(jié)點加入隊列失敗

    private Node enq(final Node node) {
        // 死循環(huán)，即要求入隊操作一定要成功
        for (;;) {
            // 獲取尾節(jié)點
            Node t = tail;
            // 如果尾節(jié)點為空肛宋，則執(zhí)行 sync 隊列的初始化
            if (t == null) { // Must 
                // 創(chuàng)建一個新的 node 節(jié)點作為初始化 sync 隊列的頭節(jié)點
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    // 將 tail 與 head 指向這個頭節(jié)點州藕，然后又會進入下一輪 for 循環(huán)
                    tail = head;
            } else {
                // 尾節(jié)點不為空，可能是進入方法的時候就不為空了酝陈，也可能是進入方法后第一輪循環(huán)初始化創(chuàng)建了一個節(jié)點床玻，將要插入的 node 節(jié)點的前驅(qū)引用指向已經(jīng)存在的尾節(jié)點
                node.prev = t;
                // cas 方式尾插法加入節(jié)點，注意如果 cas 方式執(zhí)行失敗了沉帮，會再次進入 for 循環(huán)然后嘗試入隊笨枯，直到最后嘗試成功
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

這里是 CAS+自旋 的方式構(gòu)建等待線程隊列。這種構(gòu)建方式因為使用了自旋遇西，所以會有不確定時長的自旋時間馅精，比起前面代碼自己注釋的 快速入隊 要稍慢。不過這種方式也比掛起線程更快粱檀，同時也減少了上下文切換洲敢，節(jié)約了資源。

需要注意的是茄蚯，node 隊列的頭節(jié)點是不包含任何線程的压彭，是一個虛擬節(jié)點。在隊列初始化的時候渗常，會由無參構(gòu)造創(chuàng)建一個 node 節(jié)點作為頭節(jié)點壮不。當(dāng)有后續(xù)節(jié)點成為頭節(jié)點的時候(成為頭節(jié)點，其內(nèi)的線程就已經(jīng)持有了鎖皱碘，然后會被 AQS 清除持有線程的引用)询一。

前面的邏輯已經(jīng)將當(dāng)前線程加入到 sync 隊列中，現(xiàn)在檢查線程的中斷狀態(tài)并再次嘗試獲取獨占鎖

    // 傳入以當(dāng)前節(jié)點為參數(shù)構(gòu)造的 node 節(jié)點
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                // 獲取 node 的前驅(qū)節(jié)點
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果當(dāng)前 node 的前驅(qū)節(jié)點是頭節(jié)點并嘗試獲取(改變)狀態(tài)
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // tryAcquire 成功癌椿，表明當(dāng)前節(jié)點已經(jīng)成功獲取到鎖健蕊，更新頭節(jié)點關(guān)系
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 當(dāng)前節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點不是頭節(jié)點或者 tryAcquire 失敗，掛起當(dāng)前線程
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            // 方法最終退出前檢查踢俄，這是異常狀態(tài)下的進入缩功，取消獲取鎖的相關(guān)操作
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    

入隊后的線程節(jié)點進入方法 acquireQueued(Final Node node, int arg)，在這個方法中依然存在一個死循環(huán)都办。

獲取當(dāng)前節(jié)點的前置節(jié)點嫡锌，檢查當(dāng)這個前置節(jié)點是不是頭結(jié)點(頭結(jié)點即意味著這個節(jié)點正持有鎖)虑稼，然后當(dāng)前 Node 節(jié)點嘗試獲取對象監(jiān)視器，如果獲取成功势木，表示當(dāng)前節(jié)點成功獲取到對象監(jiān)視器动雹，將當(dāng)前節(jié)點設(shè)置為新的頭結(jié)點。同時置空前置節(jié)點的后繼引用(方便 GC 回收)跟压。

方法 shouldParkAfterFailedAcquire 會根據(jù)情況阻塞線程胰蝠，這里又要回顧一下之前的 status 字段各個值的含義，方法內(nèi)判斷的依據(jù)就是根據(jù) status 字段震蒋。

SIGNAL = -1：當(dāng)前線程的后繼線程需要被unpark(喚醒);

    /**
     * 判斷前驅(qū)節(jié)點的 status 狀態(tài)值是否是 SIGNAL茸塞，如果是則返回 true，否則返回false查剖。
     */
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus; // 前驅(qū)節(jié)點線程的狀態(tài)標(biāo)識字段值
        if (ws == Node.SIGNAL) // 當(dāng)前線程的后繼線程需要被unpark(喚醒)钾虐，直接返回 true
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) { // 當(dāng)前線程被取消(前驅(qū)節(jié)點所搭載的線程) 
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do { // 回溯前驅(qū)節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點，直到找到一個狀態(tài)值為 非取消 狀態(tài)的節(jié)點
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node; // 找到一個 status 為 非取消 狀態(tài)的節(jié)點后笋庄，將這個節(jié)點的后繼節(jié)點指向當(dāng)前的節(jié)點
        } else { // 其他情況就將傳入的前驅(qū)節(jié)點狀態(tài)置為 SIGNAL 狀態(tài)
            /*
             * 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.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

方法 parkAndCheckInterrupt 會阻塞當(dāng)前線程效扫，并且返回“線程被喚醒之后”的中斷狀態(tài)

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

注意， 這里使用的方法是

interrupted()

在調(diào)用這個方法的適合直砂，會清除線程的標(biāo)識位菌仁，這樣在下一次喚醒該線程的時候才會生效。

2.2 release(int arg)

    public final boolean release(int arg) {
        // 嘗試釋放鎖
        if (tryRelease(arg)) {
            // 獲取頭節(jié)點
            Node h = head;
            // 頭節(jié)點不為空且頭節(jié)點的節(jié)點狀態(tài)不為0(不為0表示這個節(jié)點不是初始化虛擬節(jié)點)
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 修改節(jié)點 status 字段并喚醒等待線程
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        // 釋放鎖失敗静暂，返回 false
        return false;
    }

和 acquire 一樣济丘，release 方法會先嘗試調(diào)用 tryRelease 方法來釋放鎖，但是這個方法的實現(xiàn)并不在 AQS 內(nèi)洽蛀，而是實現(xiàn)了 AQS 的類來填充這個方法摹迷。

    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.
         */
        // 因為要釋放當(dāng)前節(jié)點，所以先更新節(jié)點 status 字段為初始化值 0
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            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.
         */
        // 獲取一個可用的后繼節(jié)點(節(jié)點可用的條件是節(jié)點 status 字段不為 cancel 狀態(tài))郊供，注意這里是從尾節(jié)點從后向前嘗試喚醒峡碉。
        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;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }