从源码探究AbstractQueuedSynchronizer的机制

最近算是闲来无事，再者就是，很早之前就和几个同行探讨过，国内很多一些资料并没有能够将一些东西讲清楚，还有就是丰富一下自己的阅历。既然对他人的资料不满，不如自己动手写一份试试。本来要鸽了的，但是既然有大佬想看我写出来，而且我最近也对AQS稍微深入了解了一番，那么就选择AQS ------ AbstractQueuedSynchronizer作为我的处女作，尝试写出一篇可以让别人看得懂的技术文。

AbstractQueuedSynchronizer介绍

AbstractQueuedSynchronizer（后文简称为AQS）是JUC（Java.util.concurrent）包下的locks包的一个类，也算是国内面试中出现频率比较高的一个知识点。对于AQS，从名字就可以知道它是一个抽象类，在我的理解中，抽象类就是用来提供一些规定的共同的动作的实现 。该怎么理解呢？抽象，说直白点可能是，对于某个东西 ，我不知道它具体是什么样的，但是我知道它有一些什么特征和行为。比如说我知道这个世界上有鸡，鸡有很多个品种，但是它们都会啄米啄虫子，并且通常来说都是两个翅膀两个爪子等。这就是对一个抽象类（鸡）的特征（两个翅膀两个爪子）和行为（啄米啄虫子）的描述。

回到AQS，作为一个抽象类，我们可以看到它类名的剩余组成部分：QueuedSynchronizer，拆开来看，Queued为排队的意思，Synchronizer则是同步器的意思，那么它的类名给我们提供的意思就是：抽象的，可排队的同步器。如果我们去看源码，会发现AQS继承自一个AbstractOwnableSynchronizer，Ownable意为可被持有的，所以AQS是可以被获取的。

AbstractQueuedSycnrhonizer组成

随便下载一份JDK1.8+的源代码，找到AQS，就可以通过IntelliJ Idea工具看到它的Structure也就是结构，个人认为比较关键或者说重要的组成包括一个内部类Node和几个字段，包括

• Node head：AQS内部队列的头节点（作用类似于一个哨兵节点，可以说没有什么实际的意义）
• Node tail：AQS内部队列的尾节点
• int state：同步状态的个数，可能这么说会很奇怪，可以简单的理解为可被获取的锁的个数。
• static long spinForTimeoutThreshold：纳秒数，在调用包含超时时间的API时会用到，超过这个纳秒数的超时时间，那么会被挂起（后面会讲到，涉及API为LockSupport.park），否则会自旋等待而不是挂起。

关于这里的state，是AQS的一个核心变量。AQS是一个状态依赖的类，state就是它所管理的状态，并提供了getState、setState和compareAndSetState等protected方法来进行管理，state可以表示任何的意义，通常依赖于它的子类的实现。比如说，在ReentrantLock中，state表示当前锁持有者已经重复获取锁的次数；在Semaphore中，表示可以被获取的"许可证"的数量。

顺带一提，这是Java大牛Doug Lea的作品，所以通过这些变量名，我们可以很直观的知道它们各自的含义，我也给出了相关的注释。在head和tail的描述中，提到了AQS内部队列，毕竟它的名字就带了个Queued，而它内部队列的实现是CLH队列（Craig，Landin and Hagersten lock queue）的一个变种。数据结构层面来说，就是一种双向链表。这个内部队列是AQS的很重要的基石部分，下面就来看看这个Node内部类是如何来实现这个队列的。

AbstractQueuedSyncronizer.Node

Node内部类也是包含几个字段，包括

• int waitStatus：直译为等待状态
• Node next
• Node prev
• Thread thread
• Node nextWaiter：直译为下一个等待的节点

可以看到，也是比较简洁的结构，重点则在于waitStatus这个字段，这个字段用来标识当前Node的状态，Node类中定义了多个常量，用来规定状态的各种值情况，包括

• CANCELLED：1
• SIGNAL：-1
• CONDITION：-2
• PROPAGATE：-3

其实还包括一个初始状态和过渡状态，值为0，不过源码中没有给出，只是我个人认为其实可以标注出来。当Node被初始化之后，默认的waitStatus就为0。并且在一些状态扭转的过程中，也会先CAS到0然后再CAS到最终状态。所以0在我看来是一个初始状态和中间状态。

还有一个需要注意的地方在于Node的构造方法，有两种方式：

• Node(Thread thread, Node mode) // used by addWaiter
• Node(Thread thread, int waitStatus) // used by Condition

可以看到这是两种不同情况下的API，我们暂时只关注第一种即可，第二种涉及到等待队列，暂时不讨论。

属于Node的部分其实也不需要讲太多，只需要知道，它封装了一个线程，并且用waitStatus来标注了被封装的线程的状态（其实这么说是不太准确的，但是为了不造成更多的误解，这么理解就行）。剩下的，就是用熟悉的next、prev来实现一个链表的数据结构；还有一点就是，其实AQS的Node可以组成两种（不是两个）队列，一种是同步队列，一种是等待队列。

同步队列是不涉及Condition的、简单的锁获取时的排队队列；等待队列是关联到具体的Condition的，一个AQS绑定几个Condition，理论上就会有多少个等待队列。

AbstractQueuedSynchronizer关键API

在AQS中，有几个默认抛出UnsupportOperationException的API，也就是要留给它的子类自行实现的方法，包括：

• tryAcquire & tryRelease
• tryAcquireShared & tryReleaseShared
• isHeldExclusively

一般来说，对于独占式锁的操作，涉及到tryAcquire、tryRelease和isHeldExclusively这三个API；对于共享式锁的操作则只涉及tryAcquireShared和tryReleaseShared。在AQS的设计中，本身AQS提供了不带有try前缀的、并且提供了默认实现的API，也就是：

• acquire & release
• acquireShared & releaseShared

AQS的acquire方法实现如下：

public final void acquire(int arg) {
  if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
    selfInterrupt();
  }
}

可以看到，这也是设计模式中的模版方法模式的体现，其他方法也是类似的思路，就不展开了。

并行和并发

在真正看到源码之前，再次介绍一下这两个名词的概念。个人认为，并行（parallelism）和并发（concurrency）从定义上再到表现上都是不同的，但是由于很多八股文之类的，可能并没有说的很明白，所以在这里加上一部分我自己的理解。

• 并行：在某一个时间点，比如说你看到这行字的这一瞬间 ，有多个任务在同时进行。这就是并行。
• 并发：在某一个时间段，比如说从你点开这篇文章，到你读到这行字的这一时间段内 ，你可能在边看这篇文章，同时你可能还在电脑上挂着微信、QQ、钉钉等，这一时间段内，你有时候 会专注于这篇文章，有时候又会转头过去聊一下天。这就是并发。

被标注上颜色的，我认为就是各自的关键词，也算的上是用来区分它们的特征。在这里只是给出我自己的理解，不一定对，仅供参考即可。

AbstractQueuedSynchronizer的运行逻辑

这部分应该算是一个比较重要的地方了。很多的八股文什么的也都会涉猎到这部分，这里我只讨论几个问题：

1. 线程获取锁
   1. 成功
   2. 失败
2. 线程释放锁

这也就是AQS的核心问题，我认为也没有必要再去探究更多，将这两个问题讨论清楚，也基本上可以搞清楚AQS了，并且，这里也只讨论独占锁的情况，对于共享锁，在了解了独占锁之后一般也可以做到触类旁通，不再赘述。

---

线程获取锁

通常，AQS本身的acquire就是一个获取锁的操作，源码在上文。也copy一下来方便看

public final void acquire(int arg) {
  if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
    selfInterrupt();
  }
}

我们可以看到，是非常简单的逻辑，但是其中涉及到多个方法，将调用链路展开看，就是：

tryAcquire【尝试获取锁】 --> addWaiter【添加等待节点】 --> acquireQueued【在队列中获取】 --> selfInterrupt【自我中断】

我把它们各自的作用都标注好了，可能不够准确，但是应该也大差不差。在深入了解之前，首先看到下面这张图，看起来可能会更加的舒服一点：

这里有个地方可以提一下，就是：我们看到，acquire方法包含了addWaiter方法，addWaiter是用来往队列中添加等待节点的。那么，假设当前有两个线程A和B，假如他们都调用了基于AQS实现的独占锁的方法，最后都落到了这个acquire这里，并且假设A比B稍微早一点调用，那么，由于CPU调度 的不确定性，可能会出现B在队列中的次序比A要靠近头节点的情况。也就是说，在某些极端的瞬时并发调用的时候 ，光是通过acquire顺序来判断各个线程所属的Node在等待队列的排列顺序很可能是不准确的 。因为addWaiter和acquire这两个操作之间并不是一个 操作，所以这里会有一个并发问题，可以参考i++这样的问题。所以有些八股文中所说的，线程会按照它们调用lock（其实大部分情况下都是落到acquire上）方法的顺序在AQS内排队，这句话我认为是不够严谨的，当然，也是我认为的，不一定准确，更多的是想让大家自己去试验一下并得出一个自己的结论。

下面回到代码中。

tryAcquire就不讨论了，我们可以简单的理解为就是去获取锁，成功了，那么这个方法就直接返回。失败了，就会走到addWaiter中，打开源码可以看到addWaiter方法，这里贴出代码如下：

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;
}

也是比较简单的逻辑，将线程封装成一个Node，并表明它是独占式的锁------Node.EXCLUSIVE，然后就是插入到尾节点上。这里需要注意，如果获取到的tail为null，会进到enq方法，enq方法包含了初始化AQS内部队列的逻辑，代码如下：

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;
            }
        }
    }
}

可以看到，如果tail为null，那么说明当前AQS的等待队列为空，那么就需要调用enq方法进行队列的初始化，enq方法在不涉及Condition的情况下，只会在addWaiter中被调用，所以可以直观的认为enq其实就是初始化队列的一个方法。

在addWaiter方法跳出之后，会走入到acquireQueued方法，这算是一个重点，我们可以先来看它源码的注释如下：

Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in queue. Used by condition wait methods as well as acquire.

我们暂时只关注前面一句即可：已经处在队列中的线程，在不可被中断的情况下获取独占锁。

看到代码，如下：

final boolean acquireQueued(final AbstractQueuedSynchronizer.Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (; ; ) {
            final AbstractQueuedSynchronizer.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);
    }
}

看到第一个if的条件，判断前驱节点是否为head，如果为head的话，继续tryAcquire，这也是八股文中常见的"前驱节点为首节点时才可以获取锁"，如果获取成功就进行一系列操作，直接返回即可。

可以关注到后面的第二个if，看到shouldParkAfterFailedAcquire这个方法和parkAndCheckInterrupt方法，通过名字就可以知道，第一个方法是判断：在获取锁失败后是否需要挂起；第二个方法则是：挂起并判断中断。

我们进入到shouldParkAfterFailedAcquire方法去，代码如下：

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

把一些注释去掉后，非常的简洁直观，目的就是：确保自己的前驱节点是正常的节点（不为空且没有被取消，也就是waitStatus不为CANCELLED），并且前驱节点的waitStatus必须为SIGNAL，为SIGNAL则表示当前节点的后继节点处于BLOCK状态，也就是阻塞，所以当前节点在释放或者被取消的时候需要唤醒后继节点。

回到这个方法，就是确保自己能够被前驱节点唤醒了，才能安心的让出自己的CPU，让自己休息。一般来说，这个方法会被调用两次，因为waitStatus的初始值一般为0，第一次会将waitStatus通过CAS设置为SIGNAL，返回false，然后第二次就会返回true。

返回true之后，就会进入到parkAndCheckInterrupt方法，代码如下：

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

很简单，通过LockSupport将自己挂起，被（前驱节点）唤醒之后，返回当前线程是否被中断的标志。

总结来看，流程不算很长，并且也将一些比较关键的概念串联了起来。总结如下图：

![AQS-acquire逻辑流程图]

到此，AQS的acquire逻辑就捋完了，顺便提一嘴就是AQS的内部队列，感觉很多八股文并没有将它讲的很清晰，其实是一个很简单的数据结构，主要对于head节点，head的thread字段永远都是为null的。并且，如果同步器（也就是AQS及其实现类）没有出现竞争，也就是，比如说，两个线程thread-A和thread-B分别调用lock，触发到acquire方法，没有出现竞争，那么head是不会被初始化的（这就是所谓的延迟初始化）。head只有在第一次出现竞争，导致线程进入等待的时候会被初始化。并且看到AQS的setHead方法，如下

private void setHead(Node node) {
  this.head = node;
  node.thread = null;
  node.prev = null;
}

它会将node的thread和prev都置为空，所以head的thread字段永远为null，所以，有些八股文中说的head代表获取了锁的线程，这种说法是不正确的。并且，在release方法被调用的时候，会出现head的waitStatus=0的情况（涉及到release方法源码，后续再解析），如果后续有线程在排队，那么就只是简单的唤醒后继节点，并不会改变后继节点的waitStatus，也就是说：

• 如果后继节点为尾节点，那么此时head会被设置为 {waitStatus = 0; thread = null}
• 如果后继节点不为尾节点，那么此时head会被设置为{waitStatus = -1; thread = null}

同理，对于tail节点的生命周期也是和head类似。最开始都是null，当队列被初始化的时候，tail为当前队列最末尾的一个在等待的线程的Node，一般，tail的waitStatus恒定为0（不考虑Condition队列的情况下）。

一些题外话

在末尾，对于AQS公平锁和非公平锁的情况，我觉得也可以再提一下，这里不会很深入的去探讨。参考ReentrantLock的源码即可。可以看到acquire方法（这个方法在文章内被多次提及，应该可以看得出它的重要性），Doug Lea对它的逻辑编排，首先是尝试tryAcquire，再去考虑排队的问题。如果忘了的话可以翻上去看看我贴出来的源码。所以我认为，AQS其实是一个非公平锁 ，我这么下定论的依据是它会将tryAcquire放在第一步，一般来说，tryAcquire就是直接决定一个线程是否可以获得锁的方法，所以，我会认为acquire方法是一个非公平的获取锁的方法。

但是，当我们看到ReentrantLock的时候，会看到它的FairSync的lock方法是直接去调用了acquire方法的，而关键的tryAcquire方法在FairSync中也被==重写==了。所以，虽然这里的lock是直接调用acquire方法，但是如果我们去看到它的源码，就可以看到，实际上在FairSync重写的tryAcquire方法中，对能否获取锁进行了严格的限制，所以虽然它直接调用了acquire方法，但是它的实现上仍然是公平锁。

写这么一段，是为了让大家知道，有一些"一般来说"的东西，并不一定和我们想象中的一样，而是需要亲身去看一下才会有更好的理解，就像这篇文章，只是为了抛砖引玉，让大家有去看源码的欲望，自行去了解更好。

顺便提一下就是，公平锁和非公平锁的唯一区别就在于，它们在尝试获取锁的时候：

• 公平锁：如果前面有线程获取了锁，那么去排队。
• 非公平锁：直接去尝试获取锁，不管有没有别的线程正在持有锁，失败之后才会去排队，并且需要提一个小误区，这个误区来自我本人。我之前认为非公平锁会在==持有锁的线程释放锁==的时候被唤醒，其实，不管公平锁还是非公平锁，只要进了等待队列，那么就会按照等待队列的顺序被唤醒，不会被超前唤醒（除非中断什么的）。

也就是说，只有在第一次获取锁的时候（对应到Java代码，意思是线程第一次调用lock()方法的时候）会不会去判断有没有线程正在持有锁，我认为这就是它们的唯一区别。

---

线程释放锁

释放这里就比较简单了，看到release方法的源码如下：

public final boolean release(int arg) {
  if (tryRelease(arg)) {
    Node h = head;
    if (h != null && h.waitStatus != 0) {
      unparkSuccessor(h);
    }
    return true;
  }
  return false;
}

其中，tryRelease是自定义的方法，不赘述。看到它如果成功release了之后有一个对head的判断，这里就对应到了上文说到的，如果没有竞争，head就为null，也就没有线程在等待，直接返回即可。后续对head的waitStatus进行判断是为了感知后续有没有在等待的线程，因为，按照上面的逻辑，在一个节点A被添加到队列的时候，并假设它是最后一个节点，它会将前驱节点B的waitStatus通过CAS设置成-1，A本身的waitStatus则为0，那么，如果它的前驱节点B被设置为了head，会保留B的waitStatus也就是-1，就需要唤醒A。如果后续A获取了锁，进入到release，那么A后续没有节点入队，它的waitStatus仍旧为0，所以不需要唤醒后继节点。

可以看到，释放锁涉及的逻辑只有一个unparkSuccessor，通过名字也可以知道这个方法是唤醒入参节点的后继节点。源码如下：

    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);
    }

可以看到，也是比较简单的逻辑，注意到入参这里，正常情况下传入的都是head节点，第一个if将入参node的waitStatus修改为0，对应的就是上文说到的head会短暂变为0的情况。然后就是找到下一个正常等待的节点，将它的线程唤醒即可，而不是直接将锁的持有权给到下一个节点。

总结

上文讲解的是我认为的AQS比较核心的API，通过对这两个API的详细逻辑的讲解，我认为可以让读者对AQS的最基础的运行情况有个了解，骨架定好了，剩下的更多都是一些细枝末节的东西，后续如果我有去深入了解，也会再尝试出一篇文章。