JDK8，AQS源码解读

Posted 2021-02-14 chentingk

一。AQS介绍

　　AQS（AbstractQueuedSynchronizer）抽象队列同步器，属于多线程编程的基本工具；JDK对其定义得很详细，并提供了多种常用的工具类（重入锁，读写锁，信号量，CyclicBarrier，CountDownLatch），在阅读源码的时候，我是从具体工具类往上读的，这样会比较便于理解AQS的设计。

　　下面，我将从五种常用类去分析源码，进而学习AQS。

　　论文地址

 

二。开始吧，重入锁(ReetrantLock)

　　

　　我们要阅读的重入锁，它首先遵循Lock的规范，并且实现了序列化接口；而Lock的规范，必然定义了如何锁的，如何解锁的，并且规定了newCondition这个方法。而重入锁中，真正使用AQS的是他里面内涵的一个实现类Sync，它继承自AQS，并具有AQS的所有规范。

　　这个内涵的Sync，在重入锁中实现了两种类型的队列，一个是公平队列，另一个是非公平队列，这取决于你构造重入锁的时候传入的是哪一个，默认是非公平锁；

　　我们在进入lock这个方法的时候，看到它真正调用的是acquire方法，而acquire方法，是AQS的一个标准定义；我们先进入公平锁的阅读；

    /**
     * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
     * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquire} until success.  This method can be used
     * to implement method {@link Lock#lock}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     */
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

　　我们往上找，就找到了AQS里的acquire方法；这个方法写的非常干净，首先申请一个arg数量的权限，如果申请不成功，则进入等待队列；这个tryAcquire方法，是在子类实现的；这里插入一下，AQS里存在一个state字段，它表示可一个许可，而重入锁中它初始化为0；然后我们找到公平锁的实现方法。

        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don‘t grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        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;
        }

　　在重入锁中，我们要能获取锁，其实是state是否等于0；

    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());
    }

　　这个方法里面有几种情况会返回false，（h != t）表示等待队列非空，为空就会返回false；另一种情况就是，队列非空，当前队列不等于后继结点的队列，会返回true；因为是公平队列，你要申请权限必然是没人排队，即使有人排队，也得是你最前面才能申请；ok，下一个条件就是CAS这个state值，成功就将独占状态设为当前线程；这个else if，就是重入锁重入的关键了，如果当前线程和独占线程是一个，那就将权限再加acquires，当然这个state会超过上限并抛出overflow类似的异常。

　　如果申请不成功，当然要排队了，排队都是双端队列的CRUD；

    /**
     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
     *
     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
     * @return the new node
     */
    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;
    } 

　　 

　　CAS初始化head，并头尾指向一个地方；然后注意到外面是不是有一个for，又是自旋CAS的操作；在第二次循环的时候，会将node，整在后面。

    /**
     * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
     * queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
     *
     * @param node the node
     * @param arg the acquire argument
     * @return {@code true} if interrupted while waiting
     */
    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);
        }
    }

　　这个方法，就是得到的刚才入队的Node，并且又来一个自旋；然后看自己是不是头结点，如果不是，则进入等待队列，使用LockSupport来使当期线程休眠；这样就构成了申请锁并排队的过程；

　　接着我们去看unlock方法，它指向的是AQS的release接口，与acquire相反，它是将state做减法；

　　而这个方法，只有是独占线程调用才可以，因为所有lock的非独占线程，全都会被park；

    /**
     * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or
     * more threads if {@link #tryRelease} returns true.
     * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
     *
     * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     * @return the value returned from {@link #tryRelease}
     */
    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

        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;
        }

　　所以在这里并不需要CAS，它的安全性在于不是独占线程就会抛出非法异常；如果它释放成功，就会唤醒后继结点；后继结点是head的后一个，这时候后继结点被阻塞在lock代码行可以往下走了。这样就形成了一个线程同步的重入锁（公平）。我们可以看到AQS的设计很精湛，很多方法，都是重写定制的，它值做了一些规范的定义。

　　抽象队列同步器，它是基于一个队列做线程排队的设计，那么这个队列的基本元素Node，我们看一下。

 

 　　定义了一系列的状态，携带每一次申请的线程thread，等等，非常直观，注释里还给你画出来了。

　　看完公平锁，我们了解到它每次申请都要往后排队，可想而知费公平锁，就是不排队？还是要排队的。

        /**
         * 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);
        }

　　我们轻而易举找到上面的方法，它走的流程多了一个，就是如果许可是可以申请的，则不需要排队，直接申请，如果申请失败，则走入公平锁的流程。这就是说所有来申请锁的线程，都有一次竞争的机会，如果没有竞争上，还是排队。而release接口并未区别实现，所以每次unpark线程，还是按照队列顺序。

　　重入锁就这么简单的读完了。接着，公平锁和非公平锁的性能区别在哪呢？在于重复的park和unpark线程，对于非公平锁，线程被park的几率会小一点，因为它不是必然排队；而公平锁必然是排队的，它们的排队机制是一样的，而非公平锁park线程的几率更小，则性能优于公平锁。

 

三。什么鬼，读写锁(ReetrantReadWriteLock)

　　看个图，就不需要读了。一把读锁，一把写锁，有兴趣可以自己研读。

 

四。接着来，信号量(Semaphore)

 　　信号量是与重入锁完全不同类型的锁，因为他是共享的（搞这么复杂，不就是state初始化大于0）。它的作用用过的都有印象，就是多个线程可以共享这一把锁，而线程大于初始化凭证之后，就会被阻塞。

　　

    /**
     * Fair version
     */
    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

        FairSync(int permits) {
            super(permits);
        }

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    }

　　我相信可以很简单地找到这个FairSync，在semaphore中。它先判断是否只有你来申请，如果不是就回去操作state，如果申请小于0，直接返回，排队。

 　　

    /**
     * Acquires in shared interruptible mode.
     * @param arg the acquire argument
     */
    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

　　与重入锁不同的是，入队的时候Node指定为SHARE模式，并且再次尝试获取锁，如果获取的锁是大于等于0的，将会调用setHeadAndPropagate方法传播释放。如果是大于0的，则会调用release接口，下一个唤醒的线程又会重复上述过程，一直唤醒到==0。和重复锁不一样的是，它具有传染性。

    /**
     * Release action for shared mode -- signals successor and ensures
     * propagation. (Note: For exclusive mode, release just amounts
     * to calling unparkSuccessor of head if it needs signal.)
     */
    private void doReleaseShared() {
        /*
         * Ensure that a release propagates, even if there are other
         * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
         * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
         * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
         * ensure that upon release, propagation continues.
         * Additionally, we must loop in case a new node is added
         * while we are doing this. Also, unlike other uses of
         * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
         * fails, if so rechecking.
         */
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

　　只要调用了这个方法，就会进行上述所说的传染；正经的，这个方法就是激活线程并设置PROPAGATE，表示一直往后传播激活。

 

　　共享锁和独占锁的区别在于，解锁线程会不会传染...

　　这样，我们已经读了aqs里面的两种锁了。

 

五。升华，倒计时器(CountDownLatch)

 　　在看完上面的基本元素之后，搞一个倒计时器是什么鬼，不就是搞个变量然后一直减，然后等于0的时候一股脑儿释放？？？

　　　

    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

    protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // Decrement count; signal when transition to zero
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }        

　　很容易找到上述代码，我们调用倒计时器时候，就会调用countDown方法，每次都会给初始化减一。这时候主线程或者等待线程，调用await在等待。直到它减到0，就会做doReleaseShared，这个时候等待队列只有一个，就是父级线程，它就可以往下走了。因为这货减到0之后不会reset，所以不能复用。。。。

 

六。再看一个不看了，栅栏(CyclicBarrier)

　　我曹？这货难得一笔，停更。