JUC并发编程基石AQS之主流程源码解析

## 前言 由于AQS的源码太过凝练，而且有很多分支比如取消排队、等待条件等，如果把所有的分支在一篇文章的写完可能会看懵，所以这篇文章主要是从正常流程先走一遍，重点不在取消排队等分支，之后会专门写一篇取消排队和等待条件的分支逻辑。读源码千万别在每个代码分支中来回游走，先按一个正常的分支把流程看明白，之后再去重点关注其他分支，各个击破。我相信看完正常流程，你再去分析其他分支会更加得心应手。本篇将主要方法名都做了目录索引，查看时可通过目录快速跳到指定方法的逻辑。 ## 执行流程 AQS的执行流程大体为当线程获取锁失败时，会加入到等待队列中，在**等待队列**中的线程会按照从头至尾的顺序依次再去尝试获取锁执行。 当线程获取锁后如果还需要等待特定的条件才能执行，那么线程就加入到**条件队列**排队，当等待的条件到来时**再从条件队列中按照从头至尾的顺序加入到等待队列**中，然后再按照等待队列的执行流程去获取锁。所以AQS最核心的数据结构其实就两个队列，等待队列和条件队列，然后再加上一个获取锁的同步状态。 ## AQS数据结构 AQS最核心的数据结构就三个 - **等待队列** 源码中head和tail为等待队列的头尾节点，在通过前后指向则构成了等待队列，为双向链表，学名为CLH队列。  - **条件队列** ConditionObject中的firstWaiter和lastWaiter为等待队列的头尾节点，然后通过next指向构成了条件队列，是个单向链表。  - **同步状态** state为同步状态，通过CAS操作来实现获取锁的操作。 ```java public abstract class AbstractQueuedSynchronizer{ /** * 等待队列的头节点 */ private transient volatile Node head; /** * 等待队列的尾节点 */ private transient volatile Node tail; /** * 同步状态 */ private volatile int state; public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { /** 条件队列的头节点 */ private transient Node firstWaiter; /** 条件队列的尾节点 */ private transient Node lastWaiter; } } ``` ### Node节点 两个队列中的节点都是通过AQS中内部类Node来实现的。主要字段： - waitStatus 当前节点的状态，具体看源码列出的注释。很重要，之后会在源码中讲解。 - Node prev 等待队列节点指向的前置节点 - Node next 待队列节点指向的后置节点 - Node nextWaiter 条件队列中节点指向的后置节点 - Thread thread 当前节点持有的线程 ```java static final class Node { /** */ static final Node SHARED = new Node(); /** */ static final Node EXCLUSIVE = null; /** 标明当前节点线程取消排队 */ static final int CANCELLED = 1; /** 标明该节点的后置节点需要自己去唤醒 */ static final int SIGNAL = -1; /** 标明当前节点在等待某个条件，此时节点在条件队列中 */ static final int CONDITION = -2; /** * waitStatus value to indicate the next acquireShared should * unconditionally propagate */ static final int PROPAGATE = -3; /** * 等待状态，值对于上面的四个常量 */ volatile int waitStatus; /** * 等待队列节点指向的前置节点 */ volatile Node prev; /** * 等待队列节点指向的后置节点 */ volatile Node next; /** * 当前节点持有的线程 */ volatile Thread thread; /** * 条件队列中节点指向的后置节点 */ Node nextWaiter; ``` ## 加锁 上面说明的数据结构我们先大致有个印象，现在通过加锁来一步步说明下具体的流程，上篇文章**JUC并发编程基石AQS之结构篇**，我们知道了AQS加锁代码执行的是acquire方法，那么我们从这个方法说起，从源码中看出执行流程为：tryAcquire——>addWaiter——>acquireQueued tryAcquire为自己实现的具体加锁逻辑，当加锁失败时返回false，则会执行addWaiter，将线程加入到等待队列中，Node.EXCLUSIVE为独占锁的模式，即同时只能有一个线程获取锁去执行。 **例子说明**  首先假设有四个线程t0-t4调用tryAcquire获取锁，t0线程为天选之子获取到了锁，则t1-t4线程接着去执行addWaiter。 ### acquire ```java public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } ``` ### addWaiter分支1 addWaiter方法，首先会初始化一个node节点，将当前线程设置到node节点中。然后判断head和tail节点是否为空，head和tail节点是懒加载的，当AQS初始化时为null，则第一次进来时if (pred != null) 条件不成立，执行enq方法。 **例子说明** 假如t1和t2线程同时执行到该方法，head节点未初始化则执行enq。 ```java 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) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; } ``` ### enq 此时可能多个线程会同时调用enq方法，所以该方法中也使用CAS操作。for (;;)是个死循环，首先会CAS操作初始化head节点，且**head节点是个空节点，没有设置线程。**然后第二次循环时通过CAS操作将该节点设置我尾部节点，并将前置节点指向head，之后会跳出循环，返回生成的Node节点到addWaiter，从源码可以看到addWaiter方法后面没有逻辑，之后会调用acquireQueued。 **例子说明** t1和t2线程同时执行，t1线程上天眷顾CAS成功，则流程为 - 初始化head  - t1线程的node节点加入等待队列  - t2线程执行，node节点加入等待队列  ```java private Node enq(final Node node) { 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; } } } } ``` ### addWaiter分支2 现在在来说t3和t4，t3和t4线程这时终于获取到了cpu的执行权，此时head节点已经初始化，则进入条件中的代码，其实也是通过CAS操作将节点加入到等待队列尾部，之后会调用acquireQueued。 **例子说明** 假如t3线程先CAS成功，之后t4成功，此时的数据结构为  ```java 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) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } enq(node); return node; } ``` ### acquireQueued 这个方法有两个逻辑，首先如果该节点的前置节点是head会走第一个if，再次去尝试获取锁？？？ 获取锁成功，则将头节点设置为自己，并返回到acquire方法，此时acquire方法执行完，代表获取锁成功，线程可以执行自己的逻辑了。这里有下面几个注意点 - p.next = null; // help GC 设置旧的head节点的后置节点为null - setHead方法 将t1节点设置为头节点，因为头节点是个空节点，所以设置t1线程节点线程为null，设置t1前置节点为null，此时旧的head节点已经没有任何指向和关联，可以被gc回收，所以上面那一步会写个help GC 的注释。 **例子说明** 现在t1线程的前置节点为头结点，如果t1执行tryAcquire成功则结果为  当获取锁失败或者前置节点不是头节点都会走第二个if逻辑，首先会判断当前线程是否需要挂起，如果需要则执行线程挂起。 ```java 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)) { setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } private void setHead(Node node) { head = node; node.thread = null; node.prev = null; } ``` ### shouldParkAfterFailedAcquire 判断线程是否需要挂起，首先需要注意的是这个方法的参数是当前节点的前置节点。当线程需要挂起的时候，它需要把身后事安排明白，挂起后让谁来把我唤醒。这个方法就主要做这个操作。我们再来看Node节点中的waitStatus状态，这个状态有一个Node.SIGNAL=-1，**代表了当前节点需要将后置节点唤醒**。这个理解可能有点绕。首先我们要理解一点，如果我需要被唤醒，那么我就要设置我们的前置节点的状态为Node.SIGNAL，这样当我的前置节点发现waitStatus=Node.SIGNAL时，它才知道，我执行完后需要去唤醒后置节点让后置节点去执行。所以这个方法是**当前节点去设置自己的前置节点的状态为Node.SIGNAL**。 waitStatus初始化后是0， 第一次进入该方法，发现自己的前置节点不是Node.SIGNAL，需要先设置为Node.SIGNAL状态 第二次进入时发现前置节点已经是Node.SIGNAL状态，那么我就可以安心的挂起了，有人会唤醒我的。 所以这个方法其实是两个逻辑，先设置前置节点状态，再判断是否可以挂起。因为前面acquireQueued方法中for (;;) 也是个循环，所以会重复进入。 ```java private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) /* * This node has already set status asking a release * to signal it, so it can safely park. */ return true; if (ws > 0) { /* * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and * indicate retry. */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { /* * 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; } ``` ### parkAndCheckInterrupt 将自己的前置节点设置为可唤醒的状态后进入该方法，线程挂起。 **例子说明** 此时t2-t4线程都执行到了此方法，则t2-t4线程都已经挂起不再执行，并且**head-t3**节点的waitStatus都为Node.SIGNAL，因为t4没有后置节点。  ```java private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } ``` ## 解锁 ### release 解锁方法的入口是AQS的release方法，首先会调用tryRelease方法，这个是AQS实现类自己实现的方法，去CAS改变state状态，如果解锁成功，则会进入if里的代码，获取head节点，判断waitStatus!=0，如果等于0代表没有后置节点需要去唤醒。之后调用unparkSuccessor方法。 ```java public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } ``` waitStatus>0时，代表为CANCELLED = 1状态，即线程取消排队，这个以后会细讲。先将头结点的waitStatus状态设为初始值0，之后查看后置节点的状态，如果>0代表后置节点取消了排队，不需要唤醒。但是当前节点需要去唤醒后续的节点让后续节点再去执行，所以会从尾结点开始寻找找到离当前线程最近的一个且waitStatus<0的去唤醒。之后会调用LockSupport.unpark(s.thread);取消后续节点的挂起，让后续节点继续执行。 ### unparkSuccessor ```java private void unparkSuccessor(Node node) { int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 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); } ``` **例子说明** 此时等待队列的数据，当t0线程执行完成后执行解锁操作，此时所有等待的线程都没有取消等待。  则t0线程会唤醒t1线程  如果t1和t3线程取消的排队时，t0线程会唤醒t2，**从后往前找离head最近的一个没有取消派对的节点**。  线程执行到parkAndCheckInterrupt方法时被挂起，当被头节点唤醒后会继续执行，设置interrupted=true，表示被中断，会继续执行for循环逻辑，到现在一个正常的获取锁失败——>加入等待队列——>挂起——>被唤醒继续执行的流程已经整体走了一遍。 本篇文章都是自己根据源码写出的阅读心得，可能有的地方没有揣摩到Doug Lea大神的意图，如果有理解不对的地方欢迎一起探讨。 **如有不实，还望指正**