沉淀再出发：关于java中的AQS理解
Posted 精心出精品
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了沉淀再出发：关于java中的AQS理解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
沉淀再出发：关于java中的AQS理解
一、前言
在java中有很多锁结构都继承自AQS(AbstractQueuedSynchronizer)这个抽象类如果我们仔细了解可以发现AQS的作用是非常大的，但是AQS的底层其实也是使用了大量的CAS，因此我们可以看到CAS的重要性了，但是CAS也是有缺陷的，但是在大部分使用的情况下，我们往往忽略了这种缺陷。
二、AQS的认识
2.1、AQS的基本概念
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）就是抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，AQS是一个Java提供的底层同步工具类，用一个int类型的变量表示同步状态，并提供了一系列的CAS操作来管理这个同步状态。AQS的主要作用是为Java中的并发同步组件提供统一的底层支持，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch等等就是基于AQS实现的，用法是通过继承AQS实现其模版方法，然后将子类作为同步组件的内部类。
同步队列是AQS很重要的组成部分，它是一个双端队列，遵循FIFO原则，主要作用是用来存放在锁上阻塞的线程，当一个线程尝试获取锁时，如果已经被占用，那么当前线程就会被构造成一个Node节点加入到同步队列的尾部，队列的头节点是成功获取锁的节点，当头节点线程释放锁时，会唤醒后面的节点并释放当前头节点的引用。
它维护了一个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）。state的访问方式有三种:
1 getState() 2 setState() 3 compareAndSetState()
AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。
不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
1 isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。 2 tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。 3 tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。 4 tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。 5 tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false
ReentrantLock：state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。
CountDownLatch：任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。
2.1.1、acquire(int)
此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire()的源码：
1 public final void acquire(int arg) { 2 if (!tryAcquire(arg) && 3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 4 selfInterrupt(); 5 }
tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。
tryAcquire(int)
此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。如下是tryAcquire()的源码：
protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现，AQS这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现（通过state的get/set/CAS）。至于能不能重入，能不能阻塞，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了，当然，自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。这里没有定义成abstract是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口，这样设计可以尽量减少不必要的工作量。
addWaiter(Node)
此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点。
private Node addWaiter(Node mode) { //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享） Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); //尝试快速方式直接放到队尾。 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } //上一步失败或者初次加入，则采用终极自旋方式保证一定加入队尾 enq(node); return node; }
Node结点是对每一个访问同步代码的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身以及线程的状态，如是否被阻塞，是否等待唤醒，是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前被封装成Node结点的等待状态，共有4种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE。
1 CANCELLED：值为1，在同步队列中等待的线程等待超时或被中断，需要从同步队列中取消该Node的结点，其结点的waitStatus为CANCELLED，即结束状态，
进入该状态后的结点将不会再变化。 2 SIGNAL：值为-1，被标识为该等待唤醒状态的后继结点，当其前继结点的线程释放了同步锁或被取消，将会通知该后继结点的线程执行。说白了，就是处于唤醒状态，
只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行。 3 CONDITION：值为-2，与Condition相关，该标识的结点处于等待队列中，结点的线程等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，
CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。 4 PROPAGATE：值为-3，与共享模式相关，在共享模式中，该状态标识结点的线程处于可运行状态。 5 0状态：值为0，代表初始化状态。 6 AQS在判断状态时，通过用waitStatus>0表示取消状态，而waitStatus<0表示有效状态。
enq(Node)
此方法用于将node加入队尾，采用终极自旋方式保证一定加入队尾。CAS自旋volatile变量，是一种很经典的用法。
private Node enq(final Node node) { //CAS"自旋"，直到成功加入队尾 for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else {//正常流程，放入队尾 node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
acquireQueued(Node, int)
通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。该线程下一部进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。acquireQueued()就是干这件事：在等待队列中排队拿号（中间没其它事干可以休息），直到拿到号后再返回，这个函数非常关键。
1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 2 boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源 3 try { 4 boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过 5 //又是一个“自旋”！ 6 for (;;) { 7 final Node p = node.predecessor();//拿到前驱 8 //如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。 9 if (p == head && tryAcquire(arg)) { 10 setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。 11 p.next = null;
// setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！ 12 failed = false; 13 return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过 14 } 15 16 //如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark() 17 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 18 parkAndCheckInterrupt()) 19 interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true 20 } 21 } finally { 22 if (failed) 23 cancelAcquire(node); 24 } 25 }
到这里了，我们先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。
shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)
此方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以去休息了，以免队列前边的线程都放弃了盲等。
1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 2 int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态 3 if (ws == Node.SIGNAL) 4 //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了 5 return true; 6 if (ws > 0) { 7 /* 8 * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。 9 * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链， 10 * 稍后就会被GC回收 11 */ 12 do { 13 node.prev = pred = pred.prev; 14 } while (pred.waitStatus > 0); 15 pred.next = node; 16 } else { 17 //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。 18 //有可能失败，前驱说不定刚刚释放完。 19 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); 20 } 21 return false; 22 }
整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。
1 parkAndCheckInterrupt() 2 如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。 3 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 4 LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态 5 return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。 6 }
park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。
至此，我们看一下前面的总函数就知道了整个流程了：
2.1.2、release(int)
这里我们来讲一下acquire()的反操作release()。此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放（即state=0）,则唤醒等待队列里的其他线程。
1 public final boolean release(int arg) { 2 if (tryRelease(arg)) { 3 Node h = head;//找到头结点 4 if (h != null && h.waitStatus != 0) 5 unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程 6 return true; 7 } 8 return false; 9 }
逻辑并不复杂。调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了，所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点。
tryRelease(int)
1 protected boolean tryRelease(int arg) { 2 throw new UnsupportedOperationException(); 3 }
跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了，所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。
unparkSuccessor(Node)
此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。
1 private void unparkSuccessor(Node node) { 2 //这里，node一般为当前线程所在的结点。 3 int ws = node.waitStatus; 4 if (ws < 0)//置零，当前线程所在的结点状态，允许失败。 5 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 6 Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s 7 if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消 8 s = null; 9 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) 10 if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。 11 s = t; 12 } 13 if (s != null) 14 LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒 15 }
用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程，这里我们也用s来表示吧。此时，再和acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断（即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立啦），然后s把自己设置成head标杆结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了。
release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
同样的让我们再来看看对于共享锁的情况下，资源的获取和释放。
2.1.3、acquireShared(int)
此方法是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。
1 public final void acquireShared(int arg) { 2 if (tryAcquireShared(arg) < 0) 3 doAcquireShared(arg); 4 } 5 }
这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：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。所以这里acquireShared()的流程就是：
tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；失败则通过doAcquireShared()进入等待队列，直到获取到资源为止才返回。
doAcquireShared(int)
此方法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。
1 private void doAcquireShared(int arg) { 2 final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部 3 boolean failed = true;//是否成功标志 4 try { 5 boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志 6 for (;;) { 7 final Node p = node.predecessor();//前驱 8 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 9 int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源 10 if (r >= 0) {//成功 11 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 12 p.next = null; // help GC 13 if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上 14 selfInterrupt(); 15 failed = false; 16 return; 17 } 18 } 19 //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt() 20 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 21 parkAndCheckInterrupt()) 22 interrupted = true; 23 } 24 } 25 } finally { 26 if (failed) 27 cancelAcquire(node); 28 } 29 }
其实和acquireQueued()流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了，而独占模式是放到acquireQueued()之外。
跟独占模式比，还有一点需要注意的是，这里只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了，假如老大用完后释放了5个资源，而老二需要6个，老三需要1个，老四需要2个。老大先唤醒老二，老二一看资源不够，他是把资源让给老三呢，还是不让？答案是否定的！老二会继续park()等待其他线程释放资源，也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式，同一时刻只有一个线程去执行，这样做未尝不可；但共享模式下，多个线程是可以同时执行的，现在因为老二的资源需求量大，而把后面量小的老三和老四也都卡住了。当然，这并不是问题，只是AQS保证严格按照入队顺序唤醒罢了（保证公平，但降低了并发）。
setHeadAndPropagate(Node, int)
此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式。
1 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { 2 Node h = head; 3 setHead(node);//head指向自己 4 //如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程 5 if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) { 6 Node s = node.next; 7 if (s == null || s.isShared()) 8 doReleaseShared(); 9 } 10 }
2.1.4、releaseShared()
我们来看acquireShared()的反操作releaseShared()，此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，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。
1 public final boolean releaseShared(int arg) { 2 if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源 3 doReleaseShared();//唤醒后继结点 4 return true; 5 } 6 return false; 7 }
此方法的流程也比较简单，释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但是独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。例如资源总量是13，A（5）和B（7）分别获取到资源并发运行，C（4）来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量，然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看只有3个仍不够继续等待；随后B又释放2个，tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看有5个够自己用了，然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源（state=0）才返回true，所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。
doReleaseShared()
此方法用于唤醒后继。
1 private void doReleaseShared() { 2 for (;;) { 3 Node h = head; 4 if (h != null && h != tail) { 5 int ws = h.waitStatus; 6 if (ws == Node.SIGNAL) { 7 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) 8 continue; 9 unparkSuccessor(h);//唤醒后继 10 } 11 else if (ws == 0 && 12 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) 13 continue; 14 } 15 if (h == head)// head发生变化 16 break; 17 } 18 }
至此我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码，值得注意的是，acquire()和acquireShared()两种方法下，线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是，这里相应的源码跟acquire()和acquireSahred()差不多。
2.3、独占锁和共享锁在实现上的区别
独占锁的同步状态值为1，即同一时刻只能有一个线程成功获取同步状态。共享锁的同步状态>1，取值由上层同步组件确定。
独占锁队列中头节点运行完成后释放它的直接后继节点。共享锁队列中头节点运行完成后释放它后面的所有节点。
共享锁中会出现多个线程（即同步队列中的节点）同时成功获取同步状态的情况。
2.4、简单使用
既然明白基本的操作机理，我们就可以实现自己的锁机制了，比如mutex这种不可重入的互斥锁。
1 class Mutex implements Lock, java.io.Serializable { 2 // 自定义同步器 3 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 4 // 判断是否锁定状态 5 protected boolean isHeldExclusively() { 6 return getState() == 1; 7 } 8 9 // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。 10 public boolean tryAcquire(int acquires) { 11 assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量 12 if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！ 13 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源 14 return true; 15 } 16 return false; 17 } 18 19 // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。 20 protected boolean tryRelease(int releases) { 21 assert releases == 1; // 限定为1个量 22 if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！ 23 throw new IllegalMonitorStateException(); 24 setExclusiveOwnerThread(null); 25 setState(0);//释放资源，放弃占有状态 26 return true; 27 } 28 } 29 30 // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！ 31 private final Sync sync = new Sync(); 32 33 //lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。 34 public void lock() { 35 sync.acquire(1); 36 } 37 38 //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。 39 public boolean tryLock() { 40 return sync.tryAcquire(1); 41 } 42 43 //unlock<-->release。两者语义一样：释放资源。 44 public void unlock() { 45 sync.release(1); 46 } 47 48 //锁是否占有状态 49 public boolean isLocked() { 50 return sync.isHeldExclusively(); 51 } 52 }
同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，供自己使用；而同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。当然，接口的实现要直接依赖sync，它们在语义上也存在某种对应关系，而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase，至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。
除了Mutex，ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多，不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点，AQS的核心便被攻破了。