JAVA AQS源码分析
Posted 冰花ぃ雪魄
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JAVA AQS源码分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
转自: http://www.cnblogs.com/pfan8/p/5010526.html
JAVA AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），用于JAVA多线程的开发，从名称我们也可以看出，它实现了同步的队列，而这个队列是指线程队列。AQS类在java.util.concurrent.locks下面。
AQS和CAS作为JAVA5之后非常重要的特性，能在并发应用中提高程序性能，具体要就实际情况使用，因为JVM也在一直优化synchronized关键字，在JAVA7之后其性能也趋于稳定，不会随着线程数增加而导致性能骤降（具体可以取网上搜索对比数据）。
总之，一般情况下还是建议用synchronized
CAS（CompareAndSet）是最小粒度的操作，保证了原子性，通过硬件指令集实现。简单来说，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。
基于此，我们才能完成非阻塞同步操作（当然还有一些其他原子命令，例如FAI，LL/SC等），目的就是用乐观锁来换取性能的提升。
为什么要说CAS呢？因为AQS也是基于CAS实现的，下面进入正题，我们通过源码来具体分析下AQS的实现：
-----------------------------------------------------------------------------华丽的分隔线---------------------------------------------------------------------------------------
AQS的包结构如下
继承的子类有
我们从ReentrantLock来分析AQS的实现原理：
ReentrantLock是一个可重入的排他锁。可重入指当前拥有锁的对象可重复进入同步区域，防止重复操作，例如网页登陆时重复点击按钮。排他锁就是指该锁（Lock）是互斥锁，只允许一个对象拥有锁。
先看看ReentrantLock的类结构
可以看到有3个内部类Sync，NonfairSync和FairSync。其中NonfairSync和FairSync均继承Sync，而Sync继承了AQS。NonfairSync和FairSync的区别在于当一个线程释放了锁的时候，队列里的其他线程是否按照FIFO的规则去获取锁的。
换句话说，FairSync能够保证先到的线程先拿到锁（有一个特殊情况，就是队列里的线程在unpark到获取锁的过程中有新的还未加入到队列中的线程获取到锁，不过这种情况发生的概率很小，基本不用考虑），而NonfairSync不保证
下面我们看看ReentrantLock是如何实现上锁的，这是lock函数：
public void lock() {
sync.lock();
}
sync的lock函数为抽象的，由子类实现，这里只给出FairSync的实现
final void lock() {
acquire(1);
}
acquire就是AQS提供的接口
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这里涉及到4个新方法，让我们慢慢来分析：
首先，acquire有一个参数arg，是用于判断锁持有的次数，也就是重入的次数，当锁持有者需要释放锁的时候，则要将锁的state减去arg的值。在上面可以看到，调用acquire时传入的参数为1。
1. tryAcquire：AQS里tryAcquire的实现如下
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
明显是不对的，只抛出了一个异常，所以应该是子类覆盖了，那么看看FairSync的实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
getState()是从ReentrantLock获取的状态，表示锁当前是否被持有，为0时表示没有线程持有锁。此时当前线程会去争取锁的持有权。
首先判断队列中是否有排在当前线程之前的线程，有的话放弃争抢锁。hasQueuedPredecessors是AQS里的方法：
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
// The correctness of this depends on head being initialized
// before tail and on head.next being accurate if the current
// thread is first in queue.
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
tail记录队列里的尾节点，head就是头结点。这个函数就是判断当前线程是否是下一个可持锁的线程
然后，当当前线程满足条件时，就通过CAS设置c的值，同时通过AbstractOwnableSynchronizer类提供的setExclusiveOwnerThread接口将当前线程锁住，用于防止volatile字段被其他线程修改（这里是看注释后的个人理解）
如果c != 0，同时锁持有者为当前线程，那么这个请求就是重入请求了，将c+=acquire。如果上诉两个条件都不满足，返回false。
2. addWaiter：
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;
}
根据注释可以知道，首先快速插入队列，其实就是判断队列是否为空，否则就要通过enq(node)将当前节点添加至队列中，为什么这样会慢些？我们看看enq函数
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;
}
}
}
}
这个方法可以好好看看：用for无限循环，考虑下多线程同时加入队列，通过CAS保证设置当前节点到尾节点。这里可能队列里的线程已经执行完任务释放锁了，所以还需要重新判断队列是否为空，因此其执行效率当然会有影响。
否则，设置前置节点，加入队列。用图例来帮助理解：
由于本身没有锁，可以有多个线程进来，如果有多个线程并发进入这个if判定区域，可能就会同时存在多个这样的数据结构，在各自形成数据结构后，多个线程都会去做compareAndSetHead(h)的动作，也就是尝试将这个临时h节点设置为head，
显然并发时只有一个线程会成功，因此成功的那个线程会执行tail = node的操作，整个AQS的链表就成为：
3. acquireQueued：节点加入队列之后，就通过该函数去等待获取锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final 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);
}
}
同样是for无限循环，判断当前节点之前是否没有线程节点了，如果是，就去争抢锁。用上面给出的子类tryAcquire函数，成功的话设置相关参数，这里也解释了释放指针，帮助垃圾回收（GC）。
如果争抢失败，判断是否需要阻塞当前线程
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
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;
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;
}
waitState参数有以下几个：
- SIGNAL：当前线程持有锁
- CANCELLED：超时获取被中断
- CONDITION
- PROPAGATE
- 0：不属于以上任何一种情况
后面两个没怎么看，大致就是需要满足多个条件，PROPAGATE用于shared锁队列。
回到上面的方法：因为AQS支持中断等待，所以如果线程中断了争抢锁（CANCELLED），那么就不需要阻塞，直接返回。acquireQueued方法没有返回，而是设置一个interrupt参数为true而已，线程争抢锁失败的话继续休眠等待，而AQS里的doAcquireInterruptibly()发现争抢失败的话就直接throw new InterruptedException()。在ReentrantLock里需要调用ReentrantLock.lockInterruptibly()就会实现中断返回。否则AQS会尝试将当前线程状态设置成SIGNAL，失败就循环继续尝试
下面是parkAndCheckInterrupt
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
LockSupport.park通过Unsafe.park实现阻塞，它会设置一个AQS的blocker，让队列里的线程阻塞在一个地方，然后返回线程中断的判断
4. selfInterrupt
private static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
acquireQueued会返回boolean值表示线程是否中断，如果未中断，就调用Thread.interrupt()中断线程
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以上是锁的实现原理，当tryAcquire()成功之后，线程获取锁，执行任务，执行完毕之后，会调用AQS的release方法：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
tryRelease是子类Sync的实现：
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;
}
其他就不多说了，比较简单明晰。就看看unparkSuccessor怎么做的
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);
}
通过CAS修改节点的waitStatus，然后将后续节点去除，这里会去遍历后续节点，判断其是否状态为CANCELLED，将所有非CANCELLED的节点唤醒。
以上是关于JAVA AQS源码分析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Java小白进阶系列——Java锁框架AQS源码分析目录大纲
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