AbstractQueuedSynchronizer AQS框架源码剖析
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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AbstractQueuedSynchronizer AQS框架源码剖析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、引子
Java.util.concurrent包都是Doug Lea写的，来混个眼熟
是的，就是他，提出了JSR166（Java Specification RequestsJava 规范提案），该规范的核心就是AbstractQueuedSynchronizer同步器框架（AQS）。这个框架为构造同步器提供一种通用的机制，并且被j.u.c包中大部分类使用。
包结构如下图，其中AbstractOwnableSynchronizer是其父类，而AbstractQueuedLongSynchronizer是其32位状态的升级版64位的实现，适用于多级屏障（CyclicBarrier）。
AQS的继承关系如下图，可见老李头对它多重视了。老李头的论文解析飞机票：《The java.util.concurrent Synchronizer Framework》 JUC同步器框架（AQS框架）原文翻译 。
二、AQS架构设计原理
2.1 需求分析
为了使框架能得到广泛应用，AQS同步器定义两种资源共享方式：
Exclusive：独占模式，同时只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share：共享模式，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。
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。
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：
- isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
- tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
- tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
- 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。
- tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
AQS为了实现上述操作，需要下面三个基本组件的相互协作：
- 同步状态的原子性管理；
- 线程的阻塞与解除阻塞；
- 队列的管理；
2.2 同步状态的原子性管理
state字段， 用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。
如下图：
1）volatile修饰state:
线程内的工作内存修改数据后会强制刷新到主存中去，且使其他线程中的工作内存中的该变量失效，下次只能从主存读取。实现了多线程数据可见性。
2）CAS操作state:
unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 根据对象的state同步状态偏移量是否和expect值相同，相同则更新。标准的CAS操作。unsafe飞机票：在openjdk8下看Unsafe源码
2.3 线程的阻塞与解除阻塞
利用LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 实现线程的阻塞和唤醒(底层调用Unsafe的native park和unpark实现)，同时支持超时时间。
2.4 队列的管理
根据论文里描述， AQS 里将阻塞线程封装到一个内部类 Node 里。并维护一个 CLH Node FIFO 队列。 CLH队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。AQS里的CLH是一个双向链表，数据结构如下图：
node数据结构，后续加上。
三、AQS源码实现
本节开始讲解AQS的源码实现。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来。
3.1 acquire(int)独占模式获取资源
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 }
函数流程如下：
- 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。
这时单凭这4个抽象的函数来看流程还有点朦胧，不要紧，看完接下来的分析后，你就会明白了。就像《大话西游》里唐僧说的：等你明白了舍生取义的道理，你自然会回来和我唱这首歌的。
3.1.1 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。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：
1 protected boolean tryAcquire(int arg) {
2 throw new UnsupportedOperationException();
3 }
什么？直接throw异常？说好的功能呢？好吧，还记得概述里讲的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吗？就是这里了！！！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了（通过state的get/set/CAS）！！！至于能不能重入，能不能加塞，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。
这里之所以没有定义成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。说到底，Doug Lea还是站在咱们开发者的角度，尽量减少不必要的工作量。
3.1.2 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。还是上源码吧：
1 private Node addWaiter(Node mode) {
2 //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
3 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
4
5 //尝试快速方式直接放到队尾。
6 Node pred = tail;
7 if (pred != null) {
8 node.prev = pred;
9 if (compareAndSetTail(pred, node)) {
10 pred.next = node;
11 return node;
12 }
13 }
14
15 //上一步失败则通过enq入队。
16 enq(node);
17 return node;
18 }
不用再说了，直接看注释吧。
3.1.2.1 enq(Node)
此方法用于将node加入队尾。源码如下：
1 private Node enq(final Node node) {
2 //CAS"自旋"，直到成功加入队尾
3 for (;;) {
4 Node t = tail;
5 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。
6 if (compareAndSetHead(new Node()))
7 tail = head;
8 } else {//正常流程，放入队尾
9 node.prev = t;
10 if (compareAndSetTail(t, node)) {
11 t.next = node;
12 return t;
13 }
14 }
15 }
16 }
如果你看过AtomicInteger.getAndIncrement()函数源码，那么相信你一眼便看出这段代码的精华。CAS自旋volatile变量，是一种很经典的用法。还不太了解的，自己去百度一下吧。
3.1.3 acquireQueued(Node, int)
OK，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。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧：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。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似~~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，还是上源码吧：
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
6 //又是一个“自旋”！
7 for (;;) {
8 final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
9 //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）。
10 if (p == head && tryAcquire(arg)) {
11 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。
12 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！
13 failed = false;
14 return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
15 }
16
17 //如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()
18 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
19 parkAndCheckInterrupt())
20 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
21 }
22 } finally {
23 if (failed)
24 cancelAcquire(node);
25 }
26 }
到这里了，我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。
3.1.3.1 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（进入waiting状态，如果线程状态转换不熟，可以参考本人上一篇写的Thread详解），万一队列前边的线程都放弃了只是瞎站着，那也说不定，对吧！
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，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！
10 */
11 do {
12 node.prev = pred = pred.prev;
13 } while (pred.waitStatus > 0);
14 pred.next = node;
15 } else {
16 //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。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！
17 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
18 }
19 return false;
20 }
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。
3.1.3.2 parkAndCheckInterrupt()
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。
1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
2 LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态
3 return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。
4 }
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()。（再说一句，如果线程状态转换不熟，可以参考本人写的Thread详解）。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。
3.1.3.3 小结
OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：
- 结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
- 调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
- 被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。
3.1.4 小结
OKOK，acquireQueued()分析完之后，我们接下来再回到acquire()！再贴上它的源码吧：
1 public final void acquire(int arg) {
2 if (!tryAcquire(arg) &&
3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4 selfInterrupt();
5 }
再来总结下它的流程吧：
- 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
- 没成功，则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休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。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。
由于此函数是重中之重，我再用流程图总结一下：
至此，acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源码吧，整个函数就是一条acquire(1)！！！
3.2 release(int)独占模式释放资源
上一小节已经把acquire()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。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，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码：
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。它调用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！！
3.2.1 tryRelease(int)
此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：
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的。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，上面已经提到了，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。
3.2.2 unparkSuccessor(Node)
此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码：
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
7 Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
8 if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
9 s = null;
10 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
11 if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
12 s = t;
13 }
14 if (s != null)
15 LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
16 }
这个函数并不复杂。一句话概括：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！！And then, DO what you WANT!
3.2.3 小结
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。
3.3 acquireShared(int)共享模式获取资源
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。下面是acquireShared()的源码：
1 public final void acquireShared(int arg) {
2 if (tryAcquireShared(arg) < 0)
3 doAcquireShared(arg);
4 }
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。
3.3.1 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。下面是doAcquireShared()的源码：
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
20 //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
21 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
22 parkAndCheckInterrupt())
23 interrupted = true;
24 }
25 } finally {
26 if (failed)
27 cancelAcquire(node);
28 }
29 }
有木有觉得跟acquireQueued()很相似？对，其实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，其实都一样，不知道Doug Lea是怎么想的。
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。因为老大先唤醒老二，老二一看资源不够自己用继续park()，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。
3.3.1.1 setHeadAndPropagate(Node, int)
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 }
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！
doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。
3.3.2 小结
OK，至此，acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：
- 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park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。
其实跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作（这才是共享嘛）。
3.4 releaseShared()共享模式释放资源
上一小节已经把acquireShared()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。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。下面是releaseShared()的源码：
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，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：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，这主要是基于可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，一是共享的实质--多线程可并发执行；二是共享模式基本也不会重入吧（至少我还没见过），所以自定义同步器可以根据需要决定返回值。
3.4.1 doReleaseShared()
此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：
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) {//如果头结点状态是signal，即需要唤醒后继节点
7 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))//CAS一下如果当前状态是signal则重置为0，否则退出当前循环进入下次循环
8 continue;
9 unparkSuccessor(h);//唤醒后继
10 }
11 else if (ws == 0 &&
12 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))ReentrantLock原理源码详解