Java并发（八）：AbstractQueuedSynchronizer

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）这个抽象类，是Java并发包 java.util.concurrent 的基础工具类，是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。

一、CLH同步队列

AQS通过内置的FIFO同步队列来完成资源获取线程的排队工作。

如果当前线程获取同步状态失败（锁）时，AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会park当前线程；

当同步状态释放时，则会把节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

static final class Node {
static final Node SHARED = new Node();// 共享模式
static final Node EXCLUSIVE = null;// 独占模式
static final int CANCELLED =  1;// 此线程取消了争抢这个锁
static final int SIGNAL = -1;// 当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒(表示后继节点的状态)
static final int CONDITION = -2;// 当前节点线程状态 0-没有获得锁 >0-线程取消了等待
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;// 每一个节点对应一个线程
Node nextWaiter;// 共享模式/独占模式
}

入列：

private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {// 加入队尾
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {// 失败:其它线程抢先入列了
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}

private Node enq(final Node node) {
for (;;) {// 循环入列，直到成功
Node t = tail;
if (t == null) {// 初始化head
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {// 失败:其它线程抢先入列了
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点，该方法可以确保节点是线程安全添加的

二、属性

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;// 0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁(锁可以重入，每次重入都+1)
private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 继承自AbstractOwnableSynchronizer 当前持有锁的线程

三、主要方法

getState()// 返回同步状态的当前值；
setState(int newState)// 设置当前同步状态；
compareAndSetState(int expect, int update)// 使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性；

acquire(int arg)// 独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则，将会进入同步队列等待，该方法将会调用可重写的tryAcquire(int arg)方法；
acquireInterruptibly(int arg)// 与acquire(int arg)相同，但是该方法响应中断，当前线程为获取到同步状态而进入到同步队列中，如果当前线程被中断，则该方法会抛出InterruptedException异常并返回；
tryAcquireNanos(int arg,long nanos)// 超时获取同步状态，如果当前线程在nanos时间内没有获取到同步状态，那么将会返回false，已经获取则返回true；
acquireShared(int arg)// 共享式获取同步状态，如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与独占式的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态；
acquireSharedInterruptibly(int arg)// 共享式获取同步状态，响应中断；
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)// 共享式获取同步状态，增加超时限制；
release(int arg)// 独占式释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒；
releaseShared(int arg)// 共享式释放同步状态；

tryAcquire(int arg)// 独占式获取同步状态；通过子类重写实现
tryRelease(int arg)// 独占式释放同步状态；通过子类重写
tryAcquireShared(int arg)// 共享式获取同步状态；子类重写
tryReleaseShared(int arg)// 共享式释放同步状态；子类重写

四、以独占锁为例解析AQS（共享锁几乎一样）

AQS的设计模式采用的模板方法模式，子类通过继承的方式，实现它的抽象方法来管理同步状态，对于子类而言它并没有太多的活要做，AQS提供了大量的模板方法来实现同步。

独占式同步状态获取

public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && // 尝试获取锁-由子类重写
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 获取锁失败: addWaiter()-当前线程new Node+入列; acquireQueued()-设置前驱节点状态-1，当前线程park()
selfInterrupt();
}

/**
* 1.尝试获取锁  获取成功，将当前节点置为头结点
* 2.获取锁失败，将前驱节点状态置为-1，当前节点线程park()等待
* 3.前驱点释放锁时，会将当前节点unpark()，继续自旋获取锁
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false; // 中断标志

// 自旋
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); // 当前线程的前驱节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱节点是head时，当前节点才能请求锁（请求锁的是第二个节点）
setHead(node); // 当前线程获取到锁之后，将当前节点置为头结点
p.next = null;
failed = false;
return interrupted;
}

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

/**
* 1.park开头的方法来阻塞当前线程，unpark(Thread thread)方法来唤醒一个被阻塞的线
* 2.前驱点 waitStatus==-1，当前节点线程才能park
* 3.ws>0表示已经获取过锁，从CLH队列删除，CLH队列存放没有获取到锁被挂起的线程节点
* 4.当前线程没有获取到锁，需要设置前驱节点状态为-1，这样当前节点线程才能park()
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; // 前驱节点
if (ws == Node.SIGNAL) // 当前节点线程可以park
return true;
if (ws > 0) { // ws>0 已经获取过锁,从CLH队列删除
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else { // 需要设置前驱节点状态为-1，这样当前节点线程才能park()
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}

/**
* 当前线程park()等待，直到unpark()
*/
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

acquire(int arg)方法流程图如下：

独占式同步状态释放

public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) { // 尝试释放锁-由子类重写
Node h = head; // 头结点占有锁(原因：第二节点获取到锁之后被置为头结点)
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}

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;
// 从队尾往前找，找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
// 从队尾往前找原因：node.next可能会存在null或者取消了。入列时是先设置node.prev,CAS之后再设置node.next
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null) // 唤醒下一节点
LockSupport.unpark(s.thread);
}

参考资料 / 相关推荐：

一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer （超详细，一定能看懂）

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：AQS简介

【JUC】JDK1.8源码分析之AbstractQueuedSynchronizer（二）