AQS学习与梳理

AQS梳理

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《提升能力，涨薪可待》-Java并发之AQS全面详解AQS全称AbstractQueuedSynchronizer，即抽 - 掘金

AQS 详解 | JavaGuide

独占模式下的AQS

独占模式下的AQS是不响应中断的，指的是加入到同步队列中的线程，如果因为中断而被唤醒的话，不会立即返回，并且抛出InterruptedException。而是再次去判断其前驱节点是否为head节点，决定是否争抢同步状态。如果其前驱节点不是head节点或者争抢同步状态失败，那么再次挂起。

独占模式获取资源-acquire方法

scss 复制代码

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

图中尾节点插成功--->否后，有点问题，enq会二次判断为什么插入失败

独占模式获取资源-tryAcquire方法

tryAcquire尝试以独占的方式获取资源，如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false，且具体实现由自定义AQS的同步器实现的。

arduino 复制代码

protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
}

在ReentrantLock中的NonfairSync中：

java 复制代码

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

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread(); //获取当前线程
    int c = getState();
    if (c == 0) { 
				//用CAS的方式尝试获取锁
        if (compareAndSetState(0, acquires)) { 
//获取成功后，把自己设置成拥有锁的线程，实质就是：exclusiveOwnerThread = thread;这个exclusiveOwnerThread是AOS类的成员变量
            setExclusiveOwnerThread(current); 
            return true;
        }
    }
//判断占用锁的线程是不是自己，如果是的话，可以再次获得锁，因为是可重入锁，并且重入锁时不需要用CAS方式修改状态值
    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;
}

独占模式获取资源-addWaiter方法

根据不同模式(Node.EXCLUSIVE互斥模式、Node.SHARED共享模式)创建结点并以CAS的方式将当前线程节点加入到不为空的等待队列的末尾(通过compareAndSetTail()方法)。如果队列为空，通过enq(node)方法初始化一个等待队列，并返回当前节点。

java 复制代码

/**
* 参数
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* 返回值
* @return the new node
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
    //将当前线程以指定的模式创建节点node
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    // 获取当前同队列的尾节点
    Node pred = tail;
    //队列不为空，将新的node加入等待队列中
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
         //CAS方式将当前节点尾插入队列中
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //当队列为empty或者CAS失败时会调用enq方法处理
    enq(node);
    return node;
}

其中，队列为empty，使用enq(node)处理，将当前节点插入等待队列，如果队列为空，则初始化当前队列。所有操作都是CAS自旋的方式进行，直到成功加入队尾为止。

ini 复制代码

private Node enq(final Node node) { //node里封装的是当前线程
    //不断自旋
    for (;;) {
        Node t = tail;
        //当前队列为empty
        if (t == null) { // Must initialize
         //完成队列初始化操作，头结点中不放数据，只是作为起始标记，lazy-load，在第一次用的时候new
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            //不断将当前节点使用CAS尾插入队列中直到成功为止
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

独占模式获取资源-acquireQueued方法

acquireQueued用于已在队列中的线程以独占且不间断模式获取state状态，直到获取锁后返回。主要流程：

结点node进入队列尾部后，检查状态；
调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒；
被唤醒后，是否获取到锁。如果获取到，head指向当前结点，并返回从入队到获取锁的整个过程中是否被中断过；如果没获取到，继续流程1

java 复制代码

// 其中node封装的当前线程，arg多数情况下为1
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
  //是否已获取锁的标志，默认为true 即为尚未
  boolean failed = true;
  try {
      //等待中是否被中断过的标记
      boolean interrupted = false;
      for (;;) {
          //获取前节点
          final Node p = node.predecessor();
          //如果当前节点已经成为头结点，尝试获取锁（tryAcquire）成功，然后返回
          if (p == head && tryAcquire(arg)) {
              setHead(node);
              p.next = null; // help GC
              failed = false;
              return interrupted;
          }
          //shouldParkAfterFailedAcquire根据对当前节点的前一个节点的状态进行判断，对当前节点做出不同的操作
          //parkAndCheckInterrupt让线程进入等待状态，并检查当前线程是否被可以被中断
          if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
              parkAndCheckInterrupt())
              interrupted = true;
      }
  } finally {
      //将当前节点设置为取消状态；取消状态设置为1
      if (failed)
          cancelAcquire(node);
  }
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
//如果前驱节点是SIGNAL的，那么就返回true，说明应该阻塞自己
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
//如果前去节点是CANCELD，说明前驱节点已经中断取消任务了，那么就应该再往前找
    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;
}

//当shouldParkAfterFailedAcquire返回true时会执行这个方法，阻塞当前线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

//将当前节点设置为取消状态；取消状态设置为1
private void cancelAcquire(Node node) {
    // Ignore if node doesn't exist
    if (node == null)
        return;

    node.thread = null;

    // Skip cancelled predecessors
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
    // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
    // or signal, so no further action is necessary.
    Node predNext = pred.next;

    // Can use unconditional write instead of CAS here.
    // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
    // Before, we are free of interference from other threads.
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // If we are the tail, remove ourselves.
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // If successor needs signal, try to set pred's next-link
        // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
        int ws;
        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);
        } else {
            unparkSuccessor(node);
        }

        node.next = node; // help GC
    }
}

独占模式释放资源-release方法

release方法是独占exclusive模式下线程释放共享资源的锁。它会调用tryRelease()释放同步资源，如果全部释放了同步状态为空闲（即state=0）,当同步状态为空闲时，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock().

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;
}

独占模式释放资源-tryRelease方法

tryRelease()跟tryAcquire()一样实现都是由自定义定时器以独占exclusive模式实现的。**因为其是独占模式，不需要考虑线程安全的问题去释放共享资源，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)。**而且tryRelease()的返回值代表着该线程是否已经完成资源的释放，因此在自定义同步器的tryRelease()时，需要明确这条件，当已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

arduino 复制代码

protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

以ReentrantLock为例：

ini 复制代码

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

在ReentrantReadWriteLock中的实现：

scss 复制代码

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //减掉相应量的资源(state-=arg)
    int nextc = getState() - releases;
    //是否完全释放资源
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(nextc);
    return free;
}

在ReentrantLock中，先减状态，再判断是否是持有锁的线程，而在ReentrantReadWriteLock中是反过来的，为什么，有区别吗

独占模式释放资源-unparkSuccessor

unparkSuccessor用unpark()唤醒等待队列中最前驱的那个未放弃线程，此线程并不一定是当前节点的next节点，而是下一个可以用来唤醒的线程，如果这个节点存在，调用unpark()方法唤醒。

ini 复制代码

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //当前线程所在的结点node
    int ws = node.waitStatus;
    //置零当前线程所在的结点状态，允许失败
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    //找到下一个需要唤醒的结点
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 从后向前找
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            //从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
         //唤醒
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

共享模式下的AQS

共享模式，当然是允许多个线程同时获取到同步状态,共享模式下的AQS也是不响应中断的.

很明显，我们可以将state的初始值设为N（N > 0），表示空闲。每当一个线程获取到同步状态时，就利用CAS操作让state减1，直到减到0表示非空闲，其他线程就只能加入到同步队列，进行等待。释放同步状态时，需要CAS操作，因为共享模式下，有多个线程能获取到同步状态。CountDownLatch、Semaphore正是基于此设计的。

共享模式获取资源-acquireShared方法

acquireShared在共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。

arduino 复制代码

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

先通过tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
失败则通过doAcquireShared()中的park()进入等待队列，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回(整个等待过程也是忽略中断响应)。

共享模式获取资源-tryAcquireShared方法

tryAcquireShared()跟独占模式获取资源方法一样实现都是由自定义同步器去实现。但AQS规范中已定义好tryAcquireShared()的返回值：

负值代表获取失败；
0代表获取成功，但没有剩余资源；
正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。

arduino 复制代码

protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

以CountDownLatch为例：

arduino 复制代码

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}

以Semaphore为例：

arduino 复制代码

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

共享模式获取资源-doAcquireShared方法

没有获取到资源，执行doAcquireShared()。

doAcquireShared()用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。

scss 复制代码

private void doAcquireShared(int arg) {
    //加入队列尾部
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    //是否成功标志
    boolean failed = true;
    try {
        //等待过程中是否被中断过的标志
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//获取前驱节点
            if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
                int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
                if (r >= 0) {//成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            
            //判断状态，队列寻找一个适合位置，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }   
}

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    //获取队列头节点
    Node h = head;
    //将当前节点设置为头节点
    setHead(node);
 
    //如果propagate>0表示该资源还可以被获取
    //如果旧头节点为null或者旧头节点的状态小于0
    //如果新头节点为null或者新头节点的状态小于0
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 || (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        //获取当前节点的后继节点,如果它为null或者它是共享节点，则唤醒头节点的后继节点
        //读读共享，读写互斥，写写互斥
        if (s == null || s.isShared()) {
            //唤醒后继节点
            doReleaseShared();
        }
    }
}

共享模式释放资源-releaseShared方法

releaseShared()用于共享模式下线程释放共享资源，释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

arduino 复制代码

public final boolean releaseShared(int arg) {
    //尝试释放资源
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        //唤醒后继结点
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

tryReleaseShared(arg)

以Semaphore中的Sync的NonfairSync为例：

arduino 复制代码

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

共享模式释放资源-doReleaseShared方法

doReleaseShared()主要用于唤醒后继节点线程,当state为正数，去获取剩余共享资源；当state=0时去获取共享资源。

ini 复制代码

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                    //唤醒后继
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        // head发生变化
        if (h == head)
            break;
    }
}

//独占锁里提到了这个方法，传入的是头结点，唤醒的时候头结点的后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {}