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文章目录
- 一、前言
- 二、实现一把锁的核心要素
- 三、AQS的双向同步队列
- 四、源码分析
- 1、两种模式
- 2、四种状态
- 3、一个state一个exclusiveOwnerThread
- 4、何时入队列，出队列呢？
- （1）入队列
- （2）出队列
- 5、AQS中模板方法设计模式
- （1）独占模式获取锁
- （2）独占模式释放锁
- （3）共享模式获取锁
- （4）共享模式释放锁
- 六、总结
一、前言
AQS（AbstractQueuedSynchronizer），作为JUC并发包举足轻重的组成部分，承担并发控制的重要角色。例如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore、并发容器、线程池ThreadPoolExecutor内部类Worker等都需要依托AQS实现并发控制。
AQS中维护了两个队列，同步队列和阻塞队列（ConditionObject）。同步队列用于锁的实现，是基于链表实现的双向队列，也是CLH锁的变种。阻塞队列也是基于链表实现，但是单向的，和wait、notify具有同样功效，可以用于生产者消费者模式的实现，如JUC中部分阻塞队列的实现。
二、实现一把锁的核心要素
一把锁最基本的功能要有阻塞和唤醒，通常情况下还要设计成可重入的，否则一个线程获取锁进入互斥状态后，再次获取锁将会被阻塞，产生死锁问题。如下是设计一把锁，需要的几个核心要素：
- 需要一个state变量，记录锁的状态。state=0，代表没有线程持有锁，state>0 有线程持有锁，并且state的大小是重入的次数。state的操作需要CAS保证线程安全。
- 需要有一个变量记录持锁的当前线程（
exclusiveOwnerThread）。 - 底层支持一个线程的阻塞（
park）和唤醒（unpark）。 - 需要一个队列维护所有阻塞的线程，队列的操作需要CAS保证线程安全。
这几个要素在AQS中都有具体表现。了解了基本思想流程，带着思考读源码就会有一种豁然开朗，拨开云雾见天日的感觉。
三、AQS的双向同步队列
基于链表实现的双向同步队列，在CLH的基础上进行了变种。CLH是单向队列，其主要特点是自旋检查前驱节点的locked状态。而AQS同步队列是双向队列，每个节点也有状态waitStatus，而其并不是一直对前驱节点的状态自旋，而是自旋一段时间后阻塞让出cpu时间片（上下文切换），等待前驱节点主动唤醒后继节点，这就相当于CLH+MCS。
AQS同步队列有些特别，head节点是一个空节点，没有记录线程node.thread=null，其后继节点才是实质性的有线程的节点，这样做有什么好处呢，当最后一个有线程的节点出队列后，不需要想着清空队列，同时下次有新节点入队列也不需要重新实例化队列。
所以当队列为空时，head=tail=null，当第一个线程节点入队列时，需要先初始化，head和tail会先指向一个空节点，新节点加到tail的后面，tail指针后移到新节点，而head依然指向一个空节点，且head永远指向一个没有实质线程的空节点。
四、源码分析
1、两种模式
同步队列节点有两种模式，共享模式和独占模式：
共享模式Node SHARED = new Node()，所有共享节点拥有同一个节点对象。
独占模式Node EXCLUSIVE = null，独占节点用null对象来表示。
2、四种状态
同步队列节点有4种状态CANCELLED（1）、SIGNAL（-1）、CONDITION（-2）、PROPAGATE（-3），代码中经常以waitStatus>0 代表为取消节点，waitStatus < 0为正常节点。
- CANCELLED（1）： 取消状态的节点会被剔除。当获取锁意外中断而导致没有获取锁时，节点会被取消。
- SIGNAL（-1）： 预示后继节点的线程需要被唤醒，但是节点node在获取锁失败后，检测前驱节点
waitStatus=SIGNAL，判断为node应该放心阻塞，等待前驱唤醒。 - CONDITION（-2）： 线程正在等待状态 这个状态只在condition阻塞队列中设置。
- PROPAGATE（-3）：只设置在头节点，代表需要继续无条件唤醒后继，只应用于共享模式。
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L;
/**
* Wait queue node class.
*
* <p>The wait queue is a variant of a "CLH" (Craig, Landin, and
* Hagersten) lock queue. CLH locks are normally used for
* spinlocks.
* <p>To enqueue into a CLH lock, you atomically splice it in as new
* tail. To dequeue, you just set the head field.
* <pre>
* +------+ prev +-----+ +-----+
* head | | <---- | | <---- | | tail
* +------+ +-----+ +-----+
* </pre>
//双向队列
static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
//共享一个节点对象
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
//独占节点
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
//取消状态的节点会被剔除
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
//预示后继节点的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
//线程正在等待状态 这个状态只在condition await时设置
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
static final int PROPAGATE = -3;
//节点状态-节点在获取锁和释放锁的状态流程
volatile int waitStatus;
//有前继指针，说明是双向队列
volatile Node prev;
volatile Node next;
//记录阻塞的线程
volatile Thread thread;
//condition中记录下一个节点，Lock中记录当前的node是独占node还是共享node
Node nextWaiter;
/**
* Returns true if node is waiting in shared mode.
*/
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
/**
* 获取前继节点
* Returns previous node, or throws NullPointerException if null.
* @return the predecessor of this node
*/
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
//node的上一个节点为空，直接抛异常
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
...
}
//队列头指针
private transient volatile Node head;
//队列尾指针
private transient volatile Node tail;
//The synchronization state.
private volatile int state;
...
}3、一个state一个exclusiveOwnerThread
state变量用于记录锁的状态，state=0代表锁空闲，state>0代表有线程持有锁，独占模式下state数值代表锁重入的次数；共享模式下，因为可以多个线程持有锁，所以state不能作为重入次数的记录，需要单独实现。
AbstractQueuedSynchronizer还继承了AbstractOwnableSynchronizer，主要继承了AbstractOwnableSynchronizer独占模式下记录锁所有者线程的功能。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;
protected AbstractOwnableSynchronizer() { }
/**
* The current owner of exclusive mode synchronization.
*/
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
}4、何时入队列，出队列呢？
- 入队列，线程获取锁失败，入队列将新节点加到tail后面，然后对tail进行CAS操作，将tail指针后移到新节点上。
- 出队列，锁释放唤醒head的后继节点，head的后继节点从阻塞中醒来，开始抢锁，获取锁成功，此时head指针向后移一个位置，原先head的后继节点成为新的head。
（1）入队列
- 新建一个节点。
- 判断tail不为空，新节点CAS排到队列尾部，tail指针指向新节点。
- 若tail为空或者CAS排到队列尾部失败，进入自旋enq。
- 判断tail是否为空，为空则初始化，初始化需要CAS设置head，此时head和tail都指向一个空节点（thread=null）。
- 初始化完成后再循环一次，CAS将新节点排到队列尾部，失败则继续自旋。
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
//设置node节点的上一个节点是tail
node.prev = pred;
//cas设置tail指针指向node
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
//mode进入尾部成功，返回
return node;
}
}
//pred = null 还没初始化
//or mode没有插入链接尾部，自旋cas到尾部
enq(node);
return node;
}
//cas自旋入队列->尾部
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
//先初始化
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//自旋 cas node到链表尾部
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}（2）出队列
出队列就很简单，就是一个换头的动作。出队换头不需要CAS，对于独占锁只有一个线程获取锁所以是安全的；对于共享锁，虽然可以多个线程获取锁，但是共享锁的唤醒出队操作是顺序进行的，所以出队换头也是安全的。
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}5、AQS中模板方法设计模式
AQS作为一个基础组件，将队列操作封装成一个个模板，其中获取锁、释放锁的动作交由子类自主实现。
（1）独占模式获取锁
独占模式获取锁失败后，进入队列的操作是可复用的，至于在没有入队列前怎么获取锁全由子类决定，所以子类只需要实现tryAcquire方法。
public final void acquire(int arg) {
//若没有抢到锁，则进入同步队列
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//自己中断自己
selfInterrupt();
}
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}（2）独占模式释放锁
独占模式下释放锁，唤醒后继的动作也是可复用的，至于如何释放锁，由子类自行实现tryRelease方法。
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//释放锁成功后唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}（3）共享模式获取锁
共享模式获取锁和独占模式获取锁类似，进入队列的操作可以复用，子类只需要实现tryAcquireShared即可。
public final void acquireShared(int arg) {
//tryAcquireShared 返回-1获取锁失败，返回值大于1或者0获取锁成功
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
//获取锁失败，进入队列操作
doAcquireShared(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}（4）共享模式释放锁
同样，共享模式释放锁，子类只需要实现tryReleaseShared。
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
//读锁锁释放才唤醒后继节点
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}还有一些可中断、可超时的获取锁的操作都是一个个模板。
六、总结
- AQS中双向同步队列是CLH的变种，既在前驱节点上自旋一段时间，又依赖于前驱节点的唤醒，相当于CLH+MCS。
- AQS作为一个基础组件，运用了模板方法设计模式，将可复用的操作封装成一个个模板，将一些灵活的方法交由子类去实现。
PS: 如若文章中有错误理解，欢迎批评指正，同时非常期待你的评论、点赞和收藏。我是徐同学，愿与你共同进步！
