AQS原理分析

Posted 2022-05-20 superchong

一，AQS原理

　　lock最常用的类就是ReentrantLock，其底层实现使用的是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）

　　简单来说AQS会把所有的请求线程构成一个CLH队列，当一个线程执行完毕（lock.unlock()）时会激活自己的后继节点，但正在执行的线程并不在队列中，而那些等待执行的线程全部处于阻塞状态，经过调查线程的显式阻塞是通过调用LockSupport.park()完成，而LockSupport.park()则调用sun.misc.Unsafe.park()本地方法，再进一步，HotSpot在Linux中中通过调用pthread_mutex_lock函数把线程交给系统内核进行阻塞。

　　与synchronized相同的是，CLH也是一个虚拟队列，不存在队列实例，仅存在节点之间的前后关系。原生的CLH队列是用于自旋锁，但Doug Lea把其改造为阻塞锁。 当有线程竞争锁时，该线程会首先尝试获得锁，这对于那些已经在队列中排队的线程来说显得不公平，这也是非公平锁的由来，与synchronized实现类似，这样会极大提高吞吐量。 如果已经存在Running线程，则新的竞争线程会被追加到队尾，具体是采用基于CAS的Lock-Free算法，因为线程并发对Tail调用CAS可能会导致其他线程CAS失败，解决办法是循环CAS直至成功。

二，加锁过程

　　

 1 /**
 2       * 尝试获取独占锁，获取成功则返回
 3       * 获取失败则继续自旋获取锁，并且判断中断标识，如果中断标识为true，则设置线程中断
 4       * addWaiter方法把当前线程封装成Node，并添加到队列的尾部
 5       */
 6     public final void acquire(int arg) 
 7         if (!tryAcquire(arg) &&
 8             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
 9             selfInterrupt();
10     

 

　　1，nonfairTryAcquire方法将是lock方法间接调用的第一个方法，每次请求锁时都会首先调用该方法。

 1 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires)   
 2     final Thread current = Thread.currentThread();  
 3     int c = getState();  
 4     if (c == 0)   
 5         if (compareAndSetState(0, acquires))   
 6             setExclusiveOwnerThread(current);  
 7             return true;  
 8           
 9       
10     else if (current == getExclusiveOwnerThread())   
11         int nextc = c + acquires;  
12         if (nextc < 0) // overflow  
13             throw new Error("Maximum lock count exceeded");  
14         setState(nextc);  
15         return true;  
16       
17     return false;
18 

　　该方法会首先判断当前状态，如果c==0说明没有线程正在竞争该锁，通过CAS设置该状态值为acquires,acquires的初始调用值为1，每次线程重入该锁都会+1，每次unlock都会-1，为0时释放锁。如果CAS设置成功，其他任何线程调用CAS都不会再成功，当前线程得到了该锁，该Running线程并未进入等待队列。 
　　如果c !=0 但发现自己已经拥有锁，只是简单地++acquires，并修改status值，但因为没有竞争，所以通过setStatus修改，而非CAS，也就是说这段代码实现了偏向锁的功能，并且实现的较为简单。

　　2，addWaiter方法负责把当前无法获得锁的线程包装为一个Node添加到队尾：

 1 private Node addWaiter(Node mode)   
 2     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);  
 3     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure  
 4     Node pred = tail;  
 5     if (pred != null)   
 6         node.prev = pred;  
 7         if (compareAndSetTail(pred, node))   
 8             pred.next = node;  
 9             return node;  
10           
11       
12     enq(node);  
13     return node;  
14 

　　追加到队尾的动作分两步：

　　如果当前队尾已经存在(tail!=null)，则使用CAS把当前线程更新为tail
　　如果当前Tail为null或则线程调用CAS设置队尾失败，则通过enq方法继续设置tail :　　

 1 private Node enq(final Node node)   
 2     for (;;)   
 3         Node t = tail;  
 4         if (t == null)  // Must initialize  
 5             Node h = new Node(); // Dummy header  
 6             h.next = node;  
 7             node.prev = h;  
 8             if (compareAndSetHead(h))   
 9                 tail = node;  
10                 return h;  
11               
12           
13         else   
14             node.prev = t;  
15             if (compareAndSetTail(t, node))   
16                 t.next = node;  
17                 return t;  
18               
19           
20       
21  

　　该方法就是循环调用CAS，即使有高并发的场景，无限循环将会最终成功把当前线程追加到队尾（或设置队头）。总而言之，addWaiter的目的就是通过CAS把当前线程追加到队尾，并返回包装后的Node实例。

　　3,acquireQueued的主要作用是把已经追加到队列的线程节点（addWaiter方法返回值）进行阻塞.

　　但阻塞前又通过tryAccquire重试是否能获得锁，如果重试成功能则无需阻塞，直接返回　　

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg)   
 2     try   
 3         boolean interrupted = false;  
 4         for (;;)   
 5             final Node p = node.predecessor();  
 6             if (p == head && tryAcquire(arg))   
 7                 setHead(node);  
 8                 p.next = null; // help GC  
 9                 return interrupted;  
10               
11             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&  
12                 parkAndCheckInterrupt())  
13                 interrupted = true;  
14           
15      catch (RuntimeException ex)   
16         cancelAcquire(node);  
17         throw ex;  
18       
19 

　　仔细看看这个方法是个无限循环，感觉如果p == head && tryAcquire(arg)条件不满足循环将永远无法结束，当然不会出现死循环，奥秘在于第12行的parkAndCheckInterrupt会把当前线程挂起，从而阻塞住线程的调用栈。

　　

1 private final boolean parkAndCheckInterrupt()   
2     LockSupport.park(this);  
3     return Thread.interrupted();  
4  

　　4,如前面所述，LockSupport.park最终把线程交给系统（Linux）内核进行阻塞。当然也不是马上把请求不到锁的线程进行阻塞，还要检查该线程的状态，比如如果该线程处于Cancel状态则没有必要，具体的检查在shouldParkAfterFailedAcquire中：

　　

 1  private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)   
 2       int ws = pred.waitStatus;  
 3       if (ws == Node.SIGNAL)  
 4           /* 
 5            * This node has already set status asking a release 
 6            * to signal it, so it can safely park 
 7            */  
 8           return true;  
 9       if (ws > 0)   
10           /* 
11            * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and 
12            * indicate retry. 
13            */  
14    do   
15             node.prev = pred = pred.prev;  
16      while (pred.waitStatus > 0);  
17             pred.next = node;  
18      else   
19           /* 
20            * waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we 
21            * need a signal, but don‘t park yet. Caller will need to 
22            * retry to make sure it cannot acquire before parking.  
23            */  
24           compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);  
25          
26       return false;  
27   

　　

检查原则在于：

• 规则1：如果前继的节点状态为SIGNAL，表明当前节点需要unpark，则返回成功，此时acquireQueued方法的第12行（parkAndCheckInterrupt）将导致线程阻塞

• 规则2：如果前继节点状态为CANCELLED(ws>0)，说明前置节点已经被放弃，则回溯到一个非取消的前继节点，返回false，acquireQueued方法的无限循环将递归调用该方法，直至规则1返回true，导致线程阻塞

• 规则3：如果前继节点状态为非SIGNAL、非CANCELLED，则设置前继的状态为SIGNAL，返回false后进入acquireQueued的无限循环，与规则2同

总体看来，shouldParkAfterFailedAcquire就是靠前继节点判断当前线程是否应该被阻塞，如果前继节点处于CANCELLED状态，则顺便删除这些节点重新构造队列。 

 

三，最后概括下加锁流程，如图所示：