Java AQS 的胡言乱语修正版

时间:2019-12-27 sanri1993 人气:4

前言

适合读者：3 年以上经验的同学

谈到并发编程，基本上都会想到JDK 的 JUC 工具包，它包含锁，并发工具类，原子类，线程池，还有阻塞队列，这是从网上找的一个大致的知识体系。

相信这些工具读者都见过并使用过一部分了，比如 CountDownLatch，线程池，原子类，但是可能不了解其中的原理，而面试可能要求更高一点，要求说出其原理，或者经常有这么一问，如果是你，你会怎么去实现。

本文主要讲 AQS 的实现，需要你有如下基础

队列使用双向链表实现，添加节点和删除节点的操作
在多线程并发情况下，双向链表的添加或删除节点会有线程安全问题，导致死循环或节点为空，要求能想到这种场景
设计模式，主要是模板方法模式，这个简单
volatile 关键字的理解，主要是变量在主存和线程副本之间立即可见，它并不能保证原子性，如果想深究，需要看到 JVM 内存模型
线程的六种状态，主要是要区别 waiting 和 timed-waiting ， sleep 方法和 wait 和 Condition 方法的 await 都是使线程进入 timed-waiting ，UNSAFE.park(thread) 是调用本地方法，不需要获取锁即可使线程进入 waiting 状态
CAS 全称 compareAndSwap ，它的参数一般是 (对象，比较的属性，预期值，目标值)，意思是对这个对象的这个属性做变更操作，如果预期值和内存值一致，则将内存值修改为目标值，它是一条 cpu 原语，能保证原子性
中断 (interrupt) 的意思，它只会中断阻塞，即退出阻塞状态，并不会中断线程的运行，可能我们经常的被它抛出的 InterruptException 给误解了。
最好有使用过 CountDownLatch ReentrantLock 或 AtomicXX 之类的类

主要内容

本文参考自 https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html 个人不太喜欢贴源码的风格，把一个很简单的东西说得很复杂了。

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称，AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，如下图所示。

就是多个线程对共享资源 state 的获取与释放，AQS 在顶层维护了一个线程队列，它实现了线程的出队，入队，唤醒，和节点状态的维护，使用模板方法模式，为子类提供了一些有用的方法，子类只要实现资源的获取与释放即可。

它有两对方法分别用于独占资源和共享资源 acquire-release，acquireShared-releaseShared

下面 -- 标记的都是方法名，可以自己去源码中查看，如果当前方法不清楚含义可以来这里看

下面的流程一定要对照源码 AbstractQueuedSynchronizer 来查看，不然可能不知道我在说什么，这里说的是独占模式和共享模式资源的获取和释放，这个框架只会来管你有几个资源，不会管你资源的其它属性。

获取独占资源的流程是这样子的 -- acquire

先尝试获取资源，如果获取到资源了，直接返回 -- tryAcquire
如果未获取到资源，则创建一个节点添加到队列尾 -- addWaiter
以自旋的方式判断是否排队排到了第一个，但虽然你排到了第一个，也要由子类的 tryAcquire 来决定你能不能获取资源 -- acquireQueued
如果不能获取资源，则先让前面的弄完了通知我一下 -- shouldParkAfterFailedAcquire，我先休息下(这时候线程阻塞处于 waiting 状态) -- parkAndCheckInterrupt

释放独占资源的流程是这样子的 -- release

先尝试释放资源 -- tryRelease
如果释放成功，从队列后面往前找，找到队列最前面那个正在等待的家伙，叫醒它；这里如果认真看了一定会有一个疑问，为什么要从队列后面找，从前面找不是更快吗，文章末尾给出答案，这里你理解流程和使用 -- unparkSuccessor

tryAcquireShared 的含义是，如果返回的结果小于 0 ，表示没有可用资源，如果等于 0 表示最后一个可用资源，如果大于 0 ，表示获取成功并且还有可用资源

获取共享资源流程是这样子的 -- acquireShared

先尝试获取共享资源，如果成功直接返回 -- tryAcquireShared
如果获取失败，以共享模式添加到队尾 -- addWaiter
以自旋的方式判断是否排队排到了第一个，但虽然你排到了第一个，也要由子类的 tryAcquireShared 来决定你能不能获取资源 -- doAcquireShared
如果获取到资源了，但是资源还有剩余，叫醒后面的弟兄 -- setHeadAndPropagate
如果不能获取资源，则先让前面的弄完了通知我一下 -- shouldParkAfterFailedAcquire，我先休息下(这时候线程阻塞处于 waiting 状态) -- parkAndCheckInterrupt

释放共享资源流程

先尝试释放资源 -- tryReleaseShared
如果释放成功，从队列后面往前找，找到队列最前面那个正在等待的家伙，叫醒它 --doReleaseShared

节点状态 waitStatus

这里我们说下Node。Node结点是对每一个等待获取资源的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身及其等待状态，如是否被阻塞、是否等待唤醒、是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前Node结点的等待状态，共有5种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

CANCELLED(1)：表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
SIGNAL(-1)：表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。
CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
PROPAGATE(-3)：共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。
0：新结点入队时的默认状态。

注意：负值表示结点处于有效等待状态，而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常。

在独占模式中只需要关注 3 个状态 > 0 的为取消，0 是默认就是这个状态 < 0 是可唤醒后继节点

学习这个不能只看这个队列，因为它是抽象出来的一个框架，需要结合具体的使用示例，如 CountDownLatch ，去看它是如何工作的。

CountDownLatch 构造了一个有 n 个资源的同步队列，使用共享模式，因为会有多个线程同时访问资源，每当 countDown 的时候，去释放了一个资源，然后在主线程 await 的时候去获取一个共享资源，但这个获取资源是只有资源量为 0 的时候才是成功的，核心代码就一句话。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

再看看独占锁的使用 ReentrantLock ，它使用独占资源，同一时刻只能有一个线程访问共享资源，增加了一个属性 OwnerThread ，当再次是同一个线程获取锁的时候是可重入的，有公平锁和非公平锁的实现，非公平锁在进行 lock 的时候，会先去试图将 state 设置为 1 ，预期为 0 ，如果成功，则成功插队，公平锁在 tryAcquire 增加了一个判断 hasQueuedPredecessors 如果有线程在排队就乖乖排队吧，并且没有在 lock 的时候尝试去占用资源。

这里解释下在释放资源的时候 unparkSuccessor 方法为什么要从队尾开始找，从前面开始找不是更快吗

要理解这个，你首先得理解双向队列是如何插入节点的，假设有这样一个队列

head = A <---> B = tail

需要往队列尾加入节点 C ，应该是这样操作的

C.prev = tail;
tail.next = C;
tail = C;

在多线程并发情况下，这里多步操作并不是原子性的，tail 属于临界资源随时可能被其它线程修改成其它指向。

假设这种场景 C 在入队的时候，进行 tail.next =C 这一步前，D 也在入队，如果 C 先完成，这时队列结构会变成这样子

head = A <---> B <---> C

B <---> D = tail

AQS 使用了自旋和 CAS 来解决这个麻烦，它的代码是这样子的，在 enq 函数中

 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;
         }
     }
 }

这个函数的主要作用是当那[一瞬间]在队列为空的时候进入这个方法创建队列，有可能在正想初始化队列的时候已经被其它线程初始化了，所以初始化时使用了 CAS compareAndSetHead()，然后再把 tail 的指向和 head 的指向一致，这里因为另一个线程不能初始化成功，所以这里来说是正确的。

再看 else ，当其它线程已经把队列初始化完成，tail 不为空的时候会进入这里，这个 t 只是表示这一瞬间的尾结点，尾节点可能被其它线程给修改了，使用 CAS compareAndSetTail 保证了只有当尾节点是这个瞬时尾结点的时候才能修改 node.prev=t ，保证了，从尾节点是一定可以找到前置节点，但设置完尾节点，然后才把那个尾节点的后置节点指向 node ,不一定能保证根据 tail （在遍历的时候不一定是尾节点了）一定能找到 next 。

head = A <---> B <--- C = tail C 还没走 t.next = node 这一步，这时 D CAS 失败，D 认为的 tail 为 B

B <--- D

从此图可以看出，最终于，从后往前找链表是连续的，但从前往后找是不一定的，回答了最开始的问题。

写得有点晦涩，我也是想以最通俗易懂的方式写出来，但表达水平有限，望大神指正。

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