AQS源码分析 - 技术栈

前言

AbstractQueuedSynchronizer是抽象同步队列，其是实现同步机器的基础组件，并发包中的锁的底层就是使用AQS实现的。

AQS中维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。

这里volatile能够保证多线程下的可见性，当state=1则代表当前对象锁已经被占有，其他线程来加锁时则会失败，加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中，并且会被UNSAFE.park()操作挂起，等待其他获取锁的线程释放锁才能够被唤醒。

另外state的操作都是通过CAS来保证其并发修改的安全性。

一、AQS中的关键成员变量

state
- 在AQS中，维护了一个单一变量state，对于不同的实现其有不同的意义：
- 在ReentrantLock中，state表示重入式锁的可重入次数
- 在ReentrantReadWriteLock中，state的高16位用于表示读锁的可获取次数，低16位用于表示写锁的可重入次数。
exclusiveOwnerThread
- 继承自AbstractOwnableSynchronizer，用于指明当前独占线程。
head 、tail
- 维护了一个队列，分别指向首尾节点
Node
- Node节点内部的SHARED用来标记该线程是在获取共享资源时被阻塞挂起放入AQS队列的，EXCLUSIVE用来标识该线程是获取独占资源时被阻塞挂起放入AQS队列的。
- 在Node节点内部有一个成员变量waitStatus记录当前线程等待状态，可以为：
  - 1:CANCELLED（线程被取消了）
  - -1:SIGNAL（线程需要唤醒）
  - -2:CONDITION（线程在条件队列里等待）
  - -3:PROPAGATE（释放资源时需要通知其他节点）
ConditionObject
- ConditionObject和Node一样是AQS的内部类。它用来结合锁实现线程同步，其可以访问AQS的内部变量（state和AQS阻塞队列）。
- ConditionObject是条件变量，每个条件变量对应一个条件队列，我们可以看到ConditionObject中有两个指针，分别指向条件队列的队尾和队头。条件队列用来存放调用条件变量的await方法后被阻塞的线程。

二、线程中断相关的三个方法

三、Unsafe与LockSupport

Unsafe

CAS的全称是Compare-And-Swap，它是一条CPU并发原语。
它的功能是判断内存某个位置是否是预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子性的
CAS并发原语在 java的体现就是sun.mic.Unsafe类个各个方法，调用Unsafe类的方法，JVM会帮助我们实现CAS汇编指令。这是一个完全依赖于硬件的功能，通过它实现原子性操作。由于CAS是一种系统原语，由若干指令组成，该原语执行必须连续的不许中断。

这里设置了静态代码块提前获取了state、head、tail、waitStatus、next四个参数在对象内存中的偏移量。

java 复制代码

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long stateOffset;
    private static final long headOffset;
    private static final long tailOffset;
    private static final long waitStatusOffset;
    private static final long nextOffset;

    static {
        try {
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
            headOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
            tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
            waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
            nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (Node.class.getDeclaredField("next"));

        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    /**
     * CAS head field. Used only by enq.
     */
    private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
    }

    /**
     * CAS tail field. Used only by enq.
     */
    private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
    }

    /**
     * CAS waitStatus field of a node.
     */
    private static final boolean compareAndSetWaitStatus(Node node,
                                                         int expect,
                                                         int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(node, waitStatusOffset,
                                        expect, update);
    }

    /**
     * CAS next field of a node.
     */
    private static final boolean compareAndSetNext(Node node,
                                                   Node expect,
                                                   Node update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(node, nextOffset, expect, update);
    }

LockSupport

LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语 。简而言之，当调用LockSupport.park时，表示当前线程将会等待 ，直至获得许可，当调用LockSupport.unpark时，必须把等待获得许可的线程作为参数进行传递，好让此线程继续运行。

park函数，阻塞线程，并且该线程在下列情况发生之前都会被阻塞: ① 调用unpark函数，释放该线程的许可。② 该线程被中断。③ 设置的时间到了。并且，当time为绝对时间时，isAbsolute为true，否则，isAbsolute为false。当time为0时，表示无限等待，直到unpark发生。
unpark函数，释放线程的许可，即激活调用park后阻塞的线程。这个函数不是安全的，调用这个函数时要确保线程依旧存活。

java 复制代码

public class LockSupportDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A被LockSupport.park()阻塞");
                LockSupport.park();
                System.out.println("线程A被线程B LockSupport.unpark()唤醒");
            }
        },"A");
        A.start();

        
        Thread B = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程B唤醒线程A");
                // 唤醒指定线程t，也就是A
                LockSupport.unpark(A);
            }
        },"B")
        B.start();
    }
}


结果：
线程A被LockSupport.park()阻塞
线程B唤醒线程A
线程A被线程B LockSupport.unpark()唤醒

四、核心源码

以ReentrantLock为例进行讲解，AQS是典型的模板方法的实现，所以AQS对外暴露了多个个抽象方法（tryAcquire、tryRelease等等）需要子类进行实现。

ReentrantLock的lock方法实际上调用了sync的lock方法，而sync继承了AQS，同时针对公平策略和非公平策略有不同的实现。这里我们主要看针对非公平锁NonfairSync的实现。

lock()

java 复制代码

    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

java 复制代码

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

java 复制代码

        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            // 第一次加锁
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            // 持有锁的线程重复加锁
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

java 复制代码

    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;
        // 获取锁失败，再次判断队列是否初始化
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

java 复制代码

    private Node enq(final Node node) {
        // 第一次执行，也就是head和tail两个指针都为null，会初始化两个Node
        for (;;) {
            Node t = tail;
            // 初始化队列，设置一个空Node，并将head与tail两个指针同时指向该节点
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            // 队列已经初始化完成，则将该节点插入队列尾部
            } else {
                node.prev = t;
                // 注意，此时t仍然指向，为尾节点的上一个节点
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

java 复制代码

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                // 如果当前节点的前置节点是头节点，则意味着本次入队操作是第一次
                final Node p = node.predecessor();
                    // 如果是第一次入队，则再次尝试获取state
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                    // 非第一次入队/第一次入对的第二次循环
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

因为lock方法是不可中断的，所以从lock方法中进来构建起来的同步队列不会有CANCELLED状态。CONDITION用于条件队列当中。PROPAGETE是用于共享模式下的状态。

java 复制代码

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        // Acquire失败以后是否需要挂起，true：需要-false：不需要
        // 针对ReentrantLock，这里指挥判断SIGNAL
        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;
        // ws > 0  =  CANCELLED
        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;
    }

java 复制代码

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

整体流程：

unLock()

java 复制代码

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

java 复制代码

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

java 复制代码

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            // 标识锁是否释放
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }

java 复制代码

    private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        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);
    }

这里线程二被唤醒以后将继续执行acquireQueued方法，判断线程二 的前置节点是否为head，如果是则继续使用tryAcquire()方法来尝试获取锁，其实就是使用CAS操作来修改state值，如果修改成功则代表获取锁成功。接着将线程二 设置为head节点，然后空置之前的head节点数据，被空置的节点数据等着被垃圾回收 。

在线程二释放锁以后，这个时候CLH队列中就只剩下线程三：

五、知识拓展

公平锁与非公平锁

非公平锁执行原理：

公平锁执行原理：

参考内容：

https://www.bilibili.com/video/BV1vM411r7Bt

https://juejin.cn/post/6844904146127044622