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硬核剖析Java锁底层AQS源码，深入理解底层架构设计
我们常见的并发锁ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS实现的，所以说不懂AQS实现原理的，就不能说了解Java锁。
上篇文章讲了AQS的加锁流程，这篇文章再一块看一下AQS具体源码实现。
先回顾一下AQS的加锁流程
1. AQS加锁流程
AQS的加锁流程并不复杂，只要理解了同步队列和条件队列，以及它们之间的数据流转，就算彻底理解了AQS。
- 当多个线程竞争AQS锁时，如果有个线程获取到锁，就把ower线程设置为自己
- 没有竞争到锁的线程，在同步队列中阻塞（同步队列采用双向链表，尾插法）。
- 持有锁的线程调用await方法，释放锁，追加到条件队列的末尾（条件队列采用单链表，尾插法）。
- 持有锁的线程调用signal方法，唤醒条件队列的头节点，并转移到同步队列的末尾。
- 同步队列的头节点优先获取到锁
了解AQS加锁流程之后，再去看源码就容易理解了。
2. AQS的数据结构
// 继承自AbstractOwnableSynchronizer，为了记录哪个线程占用锁
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
// 同步状态，0表示无锁，每次加锁+1，释放锁-1
private volatile int state;
// 同步队列的头尾节点
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
// Node节点，用来包装线程，放到队列中
static final class Node {
// 节点中的线程
volatile Thread thread;
// 节点状态
volatile int waitStatus;
// 同步队列的前驱节点和后继节点
volatile Node prev;
volatile Node next;
// 条件队列的后继节点
Node nextWaiter;
}
// 条件队列
public class ConditionObject implements Condition {
// 条件队列的头尾节点
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
}
}
首先AQS继承自AbstractOwnableSynchronizer，其实是为了记录哪个线程正在占用锁。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
// 设置占用锁的线程
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
}
无论是同步队列还是条件队列中线程都需要包装成Node节点。
虽然同步队列和条件队列都是由Node节点组成的，但是同步队列中是使用prev和next组成双向链表，nextWaiter只用来表示是共享模式还是排他模式。
条件队列没有使用到Node中prev和next属性，而是使用nextWaiter组成单链表。
这个复用对象的设计思想值得我们学习。
同步队列head节点是个哑节点，里面并没有存储线程对象。当然head节点也可以看成是给当前持有锁的线程使用的。
Node节点的状态（waitStatus）共有5种：
- 1 cancelled：表示线程已经被取消
- 0 初始化：Node节点的默认值
- -1 signal: 表示节点线程在释放锁后要唤醒同步队列中的下一个节点线程
- -2 condition: 当前节点在条件队列中
- -3 propagate: 释放共享资源的时候会向后传播释放其他共享节点(用于共享模式)
3. AQS方法概览
AQS支持独占和共享两种访问资源的模式（独占模式又叫排他模式）。
独占模式的方法：
// 加锁
acquire();
// 加可中断的锁
acquireInterruptibly();
// 一段时间内，加锁不成功，就不加了
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 释放锁
release();
共享模式的方法：
// 加锁
acquireShared();
// 加可中断的锁
acquireSharedInterruptibly();
// 一段时间内，加锁不成功，就不加了
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 释放锁
releaseShared();
独占模式和共享模式的方法并没有实现具体的加锁、释放锁逻辑，AQS中只是定义了加锁、释放锁的抽象方法。
留给子类实现的抽象方法：
// 加独占锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放独占锁
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 加共享锁
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放共享锁
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 判断是否是当前线程正在持有锁
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
这里就用到了设计模式中的模板模式，父类AQS定义了加锁、释放锁的流程，子类ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier负责实现具体的加锁、释放锁逻辑。
这不是个面试知识点吗？
面试官再问你，你看过哪些框架源码使用到了设计模式？
你就可以回答AQS源码中用到了模板模式，巴拉巴拉，妥妥的加分项！
4. AQS源码剖析
整个加锁流程如下：
先看一下加锁方法的源码：
4.1 加锁
// 加锁方法，传参是1
public final void acquire(int arg) {
// 1. 首先尝试获取锁，如果获取成功，则设置state+1，exclusiveOwnerThread=currentThread（留给子类实现）
if (!tryAcquire(arg) &&
// 2. 如果没有获取成功，把线程组装成Node节点，追加到同步队列末尾
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
// 3. 加入同步队列后，将自己挂起
selfInterrupt();
}
}
再看一下addWaiter方法源码，作用就是把线程组装成Node节点，追加到同步队列末尾。
// 追加到同步队列末尾，传参是共享模式or排他模式
private Node addWaiter(Node mode) {
// 1. 组装成Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 2. 在多线程竞争不激烈的情况下，通过CAS方法追加到同步队列末尾
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 3. 在多线程竞争激烈的情况下，使用死循环保证追加到同步队列末尾
enq(node);
return node;
}
// 创建Node节点，传参是线程，共享模式or排他模式
Node(Thread thread, Node mode) {
this.thread = thread;
this.nextWaiter = mode;
}
// 通过死循环的方式，追加到同步队列末尾
private Node enq(final Node node) {
for (; ; ) {
Node t = tail;
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
再看一下addWaiter方法外层的acquireQueued方法，作用就是：
- 在追加到同步队列末尾后，再判断一下前驱节点是不是头节点。如果是，说明是第一个加入同步队列的，就再去尝试获取锁。
- 如果获取锁成功，就把自己设置成头节点。
- 如果前驱节点不是头节点，或者获取锁失败，就逆序遍历同步队列，找到可以将自己唤醒的节点。
- 最后才放心地将自己挂起
// 追加到同步队列末尾后，再次尝试获取锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (; ; ) {
// 1. 找到前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 2. 如果前驱节点是头结点，就再次尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 3. 获取锁成功后，把自己设置为头节点
setHead(node);
p.next = null;
failed = false;
return interrupted;
}
// 4. 如果还是没有获取到锁，找到可以将自己唤醒的节点
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 5. 最后才放心地将自己挂起
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法，是怎么找到将自己唤醒的节点的？为什么要找这个节点？
// 加入同步队列后，找到能将自己唤醒的节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 1. 如果前驱节点的状态已经是SIGNAL状态（释放锁后，需要唤醒后继节点），就无需操作了
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 2. 如果前驱节点的状态是已取消，就继续向前遍历
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 3. 找到了不是取消状态的节点，把该节点状态设置成SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
从代码中可以很清楚的看到，目的就是为了找到不是取消状态的节点，并把该节点的状态设置成SIGNAL。
状态是SIGNAL的节点，释放锁后，需要唤醒其后继节点。
简单理解就是：小弟初来乍到，特意来知会老大一声，有好事，多通知小弟。
再看一下释放锁的逻辑。
4.2 释放锁
释放锁的流程如下：
释放锁的代码逻辑比较简单：
// 释放锁
public final boolean release(int arg) {
// 1. 先尝试释放锁，如果时候成功，则设置state-1，exclusiveOwnerThread=null（由子类实现）
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 2. 如果同步队列中还有其他节点，就唤醒下一个节点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 3. 唤醒其后继节点
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
再看一下唤醒后继节点的方法
// 唤醒后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
// 1. 如果头节点不是取消状态，就重置成初始状态
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 2. 如果后继节点是null或者是取消状态
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 3. 从队尾开始遍历，找到一个有效状态的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 3. 唤醒这个有效节点
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
4.3 await等待
await等待的流程：
持有锁的线程可以调用await方法，作用是：释放锁，并追加到条件队列末尾。
// 等待方法
public final void await() throws InterruptedException {
// 如果线程已中断，则中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 1. 追加到条件队列末尾
Node node = addConditionWaiter();
// 2. 释放锁
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
// 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了，如果还在条件队列，就可以放心地挂起自己
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 4. 如果已经转移到同步队列，就尝试获取锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
// 5. 清除条件队列中已取消的节点
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
再看一下addConditionWaiter方法，是怎么追加到条件队列末尾的？
// 追加到条件队列末尾
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// 1. 清除已取消的节点，找到有效节点
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// 2. 创建Node节点，状态是-2（表示处于条件队列）
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
// 3. 追加到条件队列末尾
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}
4.4 signal唤醒
signal唤醒的流程：
唤醒条件队列的头节点，并追加到同步队列末尾。
// 唤醒条件队列的头节点
public final void signal() {
// 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 2. 找到条件队列的头节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
// 3. 开始唤醒
doSignal(first);
}
// 实际的唤醒方法
private void doSignal(Node first) {
do {
// 4. 从条件队列中移除头节点
if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
// 5. 使用死循环，一定要转移一个节点到同步队列
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
到底是怎么转移到同步队列末尾的？
// 实际转移方法
final boolean transferForSignal(Node node) {
// 1. 把节点状态从CONDITION改成0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
// 2. 使用死循环的方式，追加到同步队列末尾（前面已经讲过）
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL（通知他，别忘了唤醒老弟）
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
5. 总结
看完整个AQS的源码，是不是完全理解了AQS加锁、释放锁、以及同步队列和条件队列数据流转的逻辑了。
连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了，下篇带你一块学习ReentrantLock源码，应该就轻松多了。
出处：https://www.cnblogs.com/yidengjiagou/p/16879681.html
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