20.AQS原理

Posted 2022-09-10 纵横千里，捭阖四方

重入锁的实现一个比较复杂的过程，涉及多个类和方法。而这还只是AQS的一小部分，要真正理解JUC体系 ，我们必须先梳理清楚AQS的问题。 AQS， Abstract Queued Synchronizer ，即抽象队列同步器。JUC里提供的线程工具中，很大一部分都基于AQS来实现的，甚至可以说AQS是整个JUC体系的根基。

1 如何设计一把锁

如果我们要自己设计一个锁，应该考虑哪些问题呢？

一个完整的锁，要保证多个线程访问时能正常访问和处理临界资源，如下图所示，此时至少应该满足如下条件：

1.满足互斥功能，也即竞争同一个共享变量时能保证安全的访问。

2.竞争失败的线程应该阻塞，并且能在资源被释放之后能被唤醒。这也要求，如果有N个线程被阻塞，则应该有一个容器来管理这些线程。

3.不同线程之间能够调整优先级（也称为公平非公平锁问题）。

4.要能满足重入的要求。

如果只有两三个线程 ，上面大部分操作还是比较好实现的，关键是多个线程同时竞争时该如何实现上述功能呢？我们该用哪种数据结构才能方便的满足该要求呢？答案是带头结点的双向链表：

 

在双链表中，我们定义了头结点head和tail用来快速访问首尾元素。获得资源的就是head指向的结点，执行完成后就可以被释放，对应的链表操作就是删除thread1对应的结点。如果有线程被阻塞，就将其打包成一个node连接到tail指向的位置上去。这样如果竞争线程比较多，就可以都连到队列上进行等待，这就实现了阻塞并等待的功能。

那如何实现优先级策略呢？假如某个新来的线程优先级高，要马上执行，此时我们只要将其连接到head位置就可以了，在上图对应的就是thread1执行完成之后马上执行这个优先级高的线程。（注意，这里是已经抢占资源的要先执行完，而不是直接中断正在执行的线程。）

那如何实现重入呢？这个更简单，我们只要在临界资源上增加一个state字段即可。如果当前资源空闲，那么state=0，否则就代表资源被某个线程抢占了还没释放。如果是重入，则继续将state的值增加即可，当然临界资源还会记录自己被哪个线程占用了。

这样，我们就大致设计了一个锁的基本结构，里面还有很多问题要进一步探讨，例如每个结点是如何等待的，如何唤醒的等等。接下来我们就详细看AQS是如何做的。

2 AQS的基本工作过程

2.1 AQS 基本结构

AQS是JUC的核心，无论是信号量还是可重入锁，背后都有AQS的影子。这些类的同步过程一般如下：

 

tryAcquire和tryRelease过程很好理解，就是CAS地修改AQS的state值，关键是doAcquire和doRelease如何管理众多线程的状态，又如何决定哪个线程可以获得锁。答案就是，AQS在其内部管理了一个链表，所有的线程都会被添加到这个链表中进行管理，这个链表在公平实现中又具有先进先出特性（非公平实现当然就是优先队列），这种思想也叫做CLH（三个人的姓名简称），而AQS在实现过程中体现了该思想，因此该队列也被称为CLH队列。

首先回顾一下doAcquireInterruptibly方法的代码：

private void doAcquireInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException 
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    ...

可以看到，在方法最开始，首先调用了addWaiter方法，这个方法就是将当前线程添加到等待队列的过程，对链表都所了解的都能轻易看懂：

private Node addWaiter(Node mode) 
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) 
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) 
            pred.next = node;
            return node;
        
    
    enq(node);
    return node;

可见AQS是将线程包装成Node再入队的。Node是AQS里的一个内部类。从addWaiter可以看到，CLH队列的入队实际上就是把当前节点设置为队尾，那么相应的，出队就是处理队首节点。

在这里还有对前驱节点、后继节点的引用。前驱结点主要用在取消等待的场景：当前节点出队后，需要把后继结点连接到前驱结点后面；后继结点的作用是避免竞争，在doRelease方法中，当前节点出队后，会让自己的后继结点接替自己获取锁，有了明确的继承关系，就不会出现竞争了。

由此可见AQS是通过队列操作实现任务的管理，而且更方便：

• 同步操作只涉及头节点、尾节点、当前节点、前驱结点、后继结点，对整个队列影响很小，明显优于整体加锁或者分段加锁。

• 通过后继结点机制，明确了获得锁的顺序（除非出现信号量申请许可过多无法获取锁这种情况，此时只需要传播状态，继续向下寻找合适节点继承锁即可），避免了竞争。

2.2 核心结点Node

既然任务是通过队列来管理的，那每个任务自然就是队列中的一个个结点，那这些结点又是如何工作的呢？

AbstractQueuedSynchronizer类中的内容非常多，我们首先注意到内部有两个静态内部类Node和ConditionObject，这两个分别构造出了同步队列和条件队列。条件队列的问题我们后面再看，这里先看同步相关问题。

同步队列的基本结构如下，每个结点对应的就是一个被阻塞的线程，每个结点能够实现自旋等待的功能。

 上一节说，在同步队列中，如果当前线程获取资源失败，就会通过addWaiter()方法将当前线程放入队列的尾部，并且保持自选等待的状态，不断判断自己所在的结点是否是队列的头结点。如果自己所在的节点是头结点，那么就会不断尝试获取资源，如果成功，则通过acquire()方法退出同步队列，并在CPU里执行。以doAcquireInterruptibly为例，parkAndCheckInterrupt方法使用LockSupport令当前线程阻塞，直到收到信号被唤醒后，进入下一轮自旋：

private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException 
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try 
            for (;;) //自旋
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) 
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            
         finally 
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        
    
 
private final boolean parkAndCheckInterrupt() 
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();

那每个任务被封装成的结点,也就 静态内部类Node又是什么呢？Node的定义如下：

static final class Node 
        // 共享模式
        static final Node SHARED = new Node();
        // 独占（排它）模式
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        // 线程已被取消，当首节点释放锁后，
        // 开始查找下一个 waitStatus < 0 的节点，
        // 如果遇到已取消的线程，则移除
        static final int CANCELLED =  1;
        // 当前线程的后继线程需要被unpark(唤醒)
        // 后继节点处于等待状态，当前节点（为-1）被取消或者中断时会通知后继节点，
        // 使后继节点的线程得以运行
        static final int SIGNAL    = -1;
        // 当前节点处于等待队列，节点线程等待在Condition上，
        // 当其他线程对condition执行signall方法时，
        // 等待队列转移到同步队列，加入到对同步状态的获取
        static final int CONDITION = -2;
        // 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
        static final int PROPAGATE = -3;

        // 当前节点的状态，默认是 0 
        volatile int waitStatus;
//双向链表
        volatile Node prev;
        volatile Node next;

        // 等待获取锁而自旋的线程
        volatile Thread thread;
        
        // Node既可以作为同步队列节点使用，也可以作为Condition的等待队列节点使用(将会在后面讲Condition时讲到)。
        // 在作为同步队列节点时，nextWaiter可能有两个值：EXCLUSIVE、SHARED标识当前节点是独占模式还是共享模式；
        // 在作为等待队列节点使用时，nextWaiter保存后继节点。
        Node nextWaiter;

        final boolean isShared() 
            return nextWaiter == SHARED;
        

        final Node predecessor() throws NullPointerException 
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        

        Node()     // Used to establish initial head or SHARED marker
        

        Node(Thread thread, Node mode)      // Used by addWaiter
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        

        Node(Thread thread, int waitStatus)  // Used by Condition
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        
    

 

从上面可以看到Node类的几个关键定义：

第一个是：Node类型的 prev和next说明该结构是一个双向链表，prev和next分别是前驱和后继结点。

第二个是：Node 类型的SHARED和EXCLUSIVE表示共享还是独占类型的结点。

第三个是：定义了四个常量CANCELLED、SIGNAL、CONDITION和PROPAGATE四个表示状态的常量。

• CANCELLED：表示当前节点中的线程已经被取消。

• SIGNAL：表示后继结点中的线程处于等待状态。

• CONDITION：表示当前结点的线程在等待某个条件，也就是当前结点处于Condition队列中。

• PROPAGATE：表示当前场景下能够执行后续的acquireShared操作。

• 在默认情况下，waitStatus的取值为0，表示当前节点在sync队列中，等待获取锁。

第四个是：Node类中存在一个volatile类型的成员变量waitStatus，其取值就是上面的几个常量值。

AQS的实现类有好几种 ，这些类与AQS搭配能够实现很多强大的功能，例如：

 后面我们就分专题详细分析。

从本小节的分析可以看到，AQS本身是通过队列来管理线程，而每个结点在等待机制上是“自旋+阻塞+唤醒”的机制，相比于纯自旋，这种方式能够很好地兼顾性能与效率。