Java AQS(AbstractQueuedSynchronizer)源码解析
花醉霜寒 人气:0AbstractQueuedSynchronizer被称为队列同步器，简称为大家熟知的AQS，这个类可以称作concurrent包的基础，该类提供了同步的基本功能。该类包括如下几个核心要素：
- AQS内部维护一个volatile修饰的state变量，state用于标记锁的状态；
- AQS通过内部类Node记录当前是哪个线程持有锁；
- AQS通过LockSupport的park和unPark方法来阻塞和唤醒线程；
- AQS通过node来维护一个队列，用于保存所有阻塞的线程。
下面通过剖析源码来看看AQS是如何工作的。
AQS概要
AQS通过内部类Node记录当前是哪个线程持有锁，Node中有一个前驱节点和一个后继节点，形成一个双向链表，这个链表是一种CLH队列，其中waitStatus表示当前线程的状态，其可能的取值包括以下几种：
- SIGNAL(-1)，表示后继线程已经或者即将被阻塞，当前线程释放锁或者获取锁失败后需要唤醒后继线程；
- CANCELLED(1)，表示当前线程因为超时或者中断被取消，这个状态不可以被修改；
- CONDITION(-2)，当前线程为条件等待，其状态设置0之后才能去竞争锁；
- PROPAGATE(-3)，表示共享锁释放之后需要传递给后继节点，只有头结点的才会有该状态；
- 0，该状态为初始值，不属于上面任意一种状态。
Node对象中还有一个nextWaiter变量，指向下一个条件等待节点，相当于在CLH队列的基础上维护了一个简单的单链表来关联条件等待的节点。
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();
static final Node EXCLUSIVE = null;
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
...
构造方法
...
}Node提供了两种入队列的方法，即enq和addWaiter，enq方法如下所示，当尾节点tail为null时，表明阻塞队列还没有被初始化，通过CAS操作来设置头结点，头结点为new Node()，实际上头结点中没有阻塞的线程，算得上是一个空的节点（注意空节点和null是不一样的），然后进行tail=head操作，这也说明当head=tail的时候，队列中实际上是不存在阻塞线程的，然后将需要入队列的node放入队列尾部，将tail指向node。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
//如果tail为空，说明CLH队列没有被初始化，
if (t == null) {
//初始化CLH队列，将head和tail指向一个new Node()，
//此时虽然CLH有一个节点，但是并没有真正意义的阻塞线程
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//将node放入队列尾部，并通过cas将tail指向node
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}addWaiter通常表示添加一个条件等待的节点入队列，该方法首先尝试通过CAS操作快速入队列，如果失败则通过调用enq来入队列。
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//尝试快速入队列
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//快速入队列失败则采用enq方入队列
enq(node);
return node;
}Node还提供了唤醒后继节点线程的功能，主要是通过LockSupport来实现的，源码如下所示，
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);
}排他获取锁
不支持中断的获取锁\color{green}{不支持中断的获取锁}不支持中断的获取锁
//不可中断的获取锁
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//对中断做补偿，中断当前线程
selfInterrupt();
}acquire方法首先会调用tryAcquire方法尝试获取锁，如果获取锁失败,首先通过addWaiter将当前线程放入CLH队列中，然后通过acquireQueued方法获取锁，acquireQueued方法源码如下所示：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
//记录中断状态
boolean interrupted = false;
//自旋式的获取锁
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//当前线程为CLH中的第一个阻塞线程才会尝试去获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//获取成功则更新head
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
//返回中断状态
return interrupted;
}
//判断中断信息
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
//如果获取锁失败，则取消获取锁的操作
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}acquireQueued方法是无中断的获取锁，该方法有一个布尔类型的返回值，该值不是表示是否成功获取锁，而是标示当前线程的中断状态，因为acquireQueued方法是无法响应中断的，需要对中断进行补偿，这个补偿体现在acquire方法中。
//模板方法tryAcquire需要子类进行具体实现
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}支持中断的获取锁
//可中断的获取锁
public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}
acquireInterruptibly方法获取锁的过程中能够响应中断，主要体现在获取锁之前会判断一下当前线程的中断中断状态，若中断则抛出InterruptedException，然后通过tryAcquire获取锁，获取成功直接返回，获取失败则通过doAcquireInterruptibly获取锁，该方法和acquireQueued最大的区别就是在判断parkAndCheckInterrupt后，acquireQueued仅仅记录中断状态，parkAndCheckInterrupt则会抛出异常。
private void doAcquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
//抛出异常，响应中断
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}支持超时时间的获取锁功能
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
//响应中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//首先通过tryAcquire快速获取锁，若失败则调用doAcquireNanos方法
return tryAcquire(arg) ||
doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}从方法tryAcquireNanos的源码可以看出，该方法也是响应中断的，该方法首先调用模板方法tryAcquire快速的获取锁，如果失败则通过doAcquireNanos获取锁，doAcquireNanos中支持超时机制，其源码如下所示：
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return true;
}
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
//判断如果超时则直接返回false，代表获取锁失败
if (nanosTimeout <= 0L)
return false;
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}doAcquireNanos方法与acquireQueued方法的区别是每次循环获取锁过程中都会计算deadline和当前时间的差值，如果这个差值小于0，则表示获取锁的操作已经超时，则直接返回false表示获取锁失败。
共享锁获取
AQS中不仅支持排他锁的获取，即acquire、acquireInterruptibly和tryAcquireNanos，还提供了共享锁的获取操作方法，包括acquireShared、acquireSharedInterruptibly和tryAcquireSharedNanos，这三个方法源码如下所示：
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}共享锁的获取和排他锁的获取方法类似，共享锁调用了不同的模板方法tryAcquireShared，这里介绍一下doAcquireShared方法，其他方法变化的套路和共享锁的使用套路一样，doAcquireShared方法源码如下所示：
private void doAcquireShared(int arg) {
//当前线程入队列
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
//自旋式的获取锁
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//只有队列中的第一个阻塞线程才能获取锁
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
//获取锁成功，补偿中断
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
//通过interrupted记录中断信息
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}doAcquireShared方法没有返回值，与acquireQueued不同的是：
- doAcquireShared没有返回值，该方法的中断补偿是在方法内完成的，获取锁成功之后，会判断中断信息interrupted的状态，如果为true则调用selfInterrupt()方法中断当前线程；
- 获取锁成功之后不是简单的设置head，而是通过setHeadAndPropagate方法来设置头结点和并且判断后继节点的信息，对后继节点中的线程进行唤醒操作等，setHeadAndPropagate方法源码如下所示：
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
//设置新的头结点
setHead(node);
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
//如果后继节点为空或者为SHARED类型的节点,执行doReleaseShared方法
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
//状态为SIGNAL，则唤醒后继节点中的线程
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
unparkSuccessor(h);
}
//若状态为0，则设置状态为PROPAGATE
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
}锁的释放
锁的释放也分为释放排他锁和释放共享锁，分别为release方法和releaseShared方法，源码如下所示，
//释放排他锁
public final boolean release(int arg) {
//释放锁，然后唤醒后继节点的线程
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//释放共享锁
public final boolean releaseShared(int arg) {
//释放锁，然后调用doReleaseShared方法
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}release方法和releaseShared方法分别调用模板方法tryRelease和tryReleaseShared来释放锁，release方法中直接通过调用unparkSuccessor唤醒后继线程，而releaseShared的唤醒操作在doReleaseShared方法中进行。
取消获取锁
当获取锁失败时，需要进行一些状态清理和变化，cancelAcquire方法就是用来实现这些功能的，其源码如下所示，
private void cancelAcquire(Node node) {
if (node == null)
return;
//节点线程置为null
node.thread = null;
//从CLH队列中清除已经取消的节点（CANCELLED）
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
Node predNext = pred.next;
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
//判断如果node是尾部节点，则设置尾部节点
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
int ws;
//若不是头节点则直接从CLH队列中清除当前节点
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
//若为头结点，则唤醒后继节点中的线程
} else {
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}
取消获取锁的操作首先将队列中处于CANCELLED状态的节点剔除，然后根据当前节点在CLH队列中的位置进行不同的操作：
- node在队列尾部，则重新设置CLH队列的尾部节点；
- node为头结点，唤醒后继节点中的线程；
- node既不是头结点也不是尾节点，则在CLH中剔除node。
总结
AQS是整个concurrent包的基础，可重入锁、线程池、信号量（Semaphore）等同步工具类都需要借助AQS来完成，了解AQS是深入学习concurrent包的前提。
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