抽象隊列同步器(AQS-AbstractQueuedSynchronizer)

從名字上來理解:

• 抽象:是抽象類,具體由子類實現(xiàn)
• 隊列:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是隊列,使用隊列存儲數(shù)據(jù)
• 同步:基于它可以實現(xiàn)同步功能

我們就從這幾個方面來入手解讀,但首先,我們得先知道以下幾個它的特點,以便于理解

AbstractQueuedSynchronizer特點

1.AQS可以實現(xiàn)獨占鎖和共享鎖。

2.獨占鎖exclusive是一個悲觀鎖。保證只有一個線程經(jīng)過一個阻塞點，只有一個線程可以獲得鎖。

3.共享鎖shared是一個樂觀鎖。可以允許多個線程阻塞點，可以多個線程同時獲取到鎖。它允許一個資源可以被多個讀操作，或者被一個寫操作訪問，但是兩個操作不能同時訪問。

4.AQS使用一個int類型的成員變量state來表示同步狀態(tài)，當(dāng)state>0時表示已經(jīng)獲取了鎖，當(dāng)state = 0無鎖。它提供了三個方法（getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update)）來對同步狀態(tài)state進(jìn)行操作，可以確保對state的操作是安全的。

5.AQS是通過一個CLH隊列實現(xiàn)的（CLH鎖即Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks，CLH鎖是一個自旋鎖，能確保無饑餓性，提供先來先服務(wù)的公平性。CLH鎖也是一種基于鏈表的可擴展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，它不斷輪詢前驅(qū)的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)前驅(qū)釋放了鎖就結(jié)束自旋。）

抽象

我們來扒一扒源碼可以看到它繼承于AbstractOwnableSynchronizer它是一個抽象類.

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable

AQS內(nèi)部使用了一個volatile的變量state來作為資源的標(biāo)識。同時定義了幾個獲取和改變state的protected方法，子類可以覆蓋這些方法來實現(xiàn)自己的邏輯.

可以看到類中為我們提供了幾個protected級別的方法,它們分別是:

//創(chuàng)建一個隊列同步器實例,初始state是0
protected AbstractQueuedSynchronizer() { }

//返回同步狀態(tài)的當(dāng)前值。
protected final int getState() {
        return state;
}

//設(shè)置同步狀態(tài)的值
protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

//獨占方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }    
    
    
//獨占方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    
//共享方式。嘗試獲取資源。負(fù)數(shù)表示失??；0表示成功，但沒有剩余可用資源；正數(shù)表示成功，且有剩余資源
protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }    
    
    
//共享方式。嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待結(jié)點返回true，否則返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    

這些方法雖然都是protected方法，但是它們并沒有在AQS具體實現(xiàn)，而是直接拋出異常,AQS實現(xiàn)了一系列主要的邏輯
由此可知,AQS是一個抽象的用于構(gòu)建鎖和同步器的框架，使用AQS能簡單且高效地構(gòu)造出應(yīng)用廣泛的同步器，比如我們提到的ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。

我們自己也能利用AQS非常輕松容易地構(gòu)造出自定義的同步器，只要子類實現(xiàn)它的幾個protected方法就可以了.

隊列

AQS類本身實現(xiàn)的是具體線程等待隊列的維護(hù)（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等）。它內(nèi)部使用了一個先進(jìn)先出（FIFO）的雙端隊列(CLH)，并使用了兩個指針head和tail用于標(biāo)識隊列的頭部和尾部。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖：

我們來看看Node的結(jié)構(gòu)：

static final class Node {
    // 標(biāo)記一個結(jié)點（對應(yīng)的線程）在共享模式下等待
    static final Node SHARED = new Node();
    // 標(biāo)記一個結(jié)點（對應(yīng)的線程）在獨占模式下等待
    static final Node EXCLUSIVE = null; 

    // waitStatus的值，表示該結(jié)點（對應(yīng)的線程）已被取消
    static final int CANCELLED = 1; 
    // waitStatus的值，表示后繼結(jié)點（對應(yīng)的線程）需要被喚醒
    static final int SIGNAL = -1;
    // waitStatus的值，表示該結(jié)點（對應(yīng)的線程）在等待某一條件
    static final int CONDITION = -2;
    
    //waitStatus的值，表示有資源可用，新head結(jié)點需要繼續(xù)喚醒后繼結(jié)點
    //（共享模式下，多線程并發(fā)釋放資源，而head喚醒其后繼結(jié)點后，
    //需要把多出來的資源留給后面的結(jié)點；設(shè)置新的head結(jié)點時，會繼續(xù)喚醒其后繼結(jié)點）
    static final int PROPAGATE = -3;

    // 等待狀態(tài)，取值范圍，-3，-2，-1，0，1
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev; // 前驅(qū)結(jié)點
    volatile Node next; // 后繼結(jié)點
    volatile Thread thread; // 結(jié)點對應(yīng)的線程
    Node nextWaiter; // 等待隊列里下一個等待條件的結(jié)點


    // 判斷共享模式的方法
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

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

    // 其它方法忽略，可以參考具體的源碼
}

// AQS里面的addWaiter私有方法
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 使用了Node的這個構(gòu)造函數(shù)
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 其它代碼省略
}

過Node我們可以實現(xiàn)兩個隊列，一是通過prev和next實現(xiàn)CLH隊列(線程同步隊列,雙向隊列)，二是nextWaiter實現(xiàn)Condition條件上的等待線程隊列(單向隊列)，這個Condition主要用在ReentrantLock類中

同步

兩種同步方式：

• 獨占模式（Exclusive）：資源是獨占的，一次只能一個線程獲取。如ReentrantLock。
• 共享模式（Share）：同時可以被多個線程獲取，具體的資源個數(shù)可以通過參數(shù)指定。如Semaphore/CountDownLatch。

同時實現(xiàn)兩種模式的同步類，如ReadWriteLock

獲取資源

獲取資源的入口是acquire(int arg)方法。arg是要獲取的資源的個數(shù)，在獨占模式下始終為1。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

首先調(diào)用tryAcquire(arg)嘗試去獲取資源。前面提到了這個方法是在子類具體實現(xiàn)的
如果獲取資源失敗，就通過addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法把這個線程插入到等待隊列中。其中傳入的參數(shù)代表要插入的Node是獨占式的。這個方法的具體實現(xiàn)：

private Node addWaiter(Node mode) {
    // 生成該線程對應(yīng)的Node節(jié)點
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 將Node插入隊列中
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 使用CAS嘗試，如果成功就返回
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 如果等待隊列為空或者上述CAS失敗，再自旋CAS插入
    enq(node);
    return node;
}

//AQS中會存在多個線程同時爭奪資源的情況，
//因此肯定會出現(xiàn)多個線程同時插入節(jié)點的操作，
//在這里是通過CAS自旋的方式保證了操作的線程安全性。

// 自旋CAS插入等待隊列
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

若設(shè)置成功就代表自己獲取到了鎖，返回true。狀態(tài)為0設(shè)置1的動作在外部就有做過一次，內(nèi)部再一次做只是提升概率，而且這樣的操作相對鎖來講不占開銷。
如果狀態(tài)不是0，則判定當(dāng)前線程是否為排它鎖的Owner，如果是Owner則嘗試將狀態(tài)增加acquires（也就是增加1），如果這個狀態(tài)值越界，則會拋出異常提示，若沒有越界，將狀態(tài)設(shè)置進(jìn)去后返回true（實現(xiàn)了類似于偏向的功能，可重入，但是無需進(jìn)一步征用）。
如果狀態(tài)不是0，且自身不是owner，則返回false。

現(xiàn)在通過addWaiter方法，已經(jīng)把一個Node放到等待隊列尾部了。而處于等待隊列的結(jié)點是從頭結(jié)點一個一個去獲取資源的。具體的實現(xiàn)我們來看看acquireQueued方法:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果node的前驅(qū)結(jié)點p是head，表示node是第二個結(jié)點，就可以嘗試去獲取資源了
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 拿到資源后，將head指向該結(jié)點。
                // 所以head所指的結(jié)點，就是當(dāng)前獲取到資源的那個結(jié)點或null。
                setHead(node); 
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 如果自己可以休息了，就進(jìn)入waiting狀態(tài)，直到被unpark()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

這里parkAndCheckInterrupt方法內(nèi)部使用到了LockSupport.park(this)，順便簡單介紹一下park。
LockSupport類是Java 6 引入的一個類，提供了基本的線程同步原語。LockSupport實際上是調(diào)用了Unsafe類里的函數(shù)，歸結(jié)到Unsafe里，只有兩個函數(shù)：
park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞當(dāng)前線程
unpark(Thread jthread)：使給定的線程停止阻塞

所以結(jié)點進(jìn)入等待隊列后，是調(diào)用park使它進(jìn)入阻塞狀態(tài)的。只有頭結(jié)點的線程是處于活躍狀態(tài)的。

acquire方法 獲取資源的流程:

當(dāng)然，獲取資源的方法除了acquire外，還有以下三個：

• acquireInterruptibly：申請可中斷的資源（獨占模式）
• acquireShared：申請共享模式的資源
• acquireSharedInterruptibly：申請可中斷的資源（共享模式）

可中斷的意思是，在線程中斷時可能會拋出InterruptedException

釋放資源

釋放資源相比于獲取資源來說，會簡單許多。在AQS中只有一小段實現(xiàn)。

源碼：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease方法
這個動作可以認(rèn)為就是一個設(shè)置鎖狀態(tài)的操作，而且是將狀態(tài)減掉傳入的參數(shù)值（參數(shù)是1），如果結(jié)果狀態(tài)為0，就將排它鎖的Owner設(shè)置為null，以使得其它的線程有機會進(jìn)行執(zhí)行。

在排它鎖中，加鎖的時候狀態(tài)會增加1（當(dāng)然可以自己修改這個值），在解鎖的時候減掉1，同一個鎖，在可以重入后，可能會被疊加為2、3、4這些值，只有unlock()的次數(shù)與lock()的次數(shù)對應(yīng)才會將Owner線程設(shè)置為空，而且也只有這種情況下才會返回true。
這一點大家寫代碼要注意，如果是在循環(huán)體中l(wèi)ock()或故意使用兩次以上的lock(),而最終只有一次unlock()，最終可能無法釋放鎖。導(dǎo)致死鎖.

private void unparkSuccessor(Node node) {
    // 如果狀態(tài)是負(fù)數(shù)，嘗試把它設(shè)置為0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 得到頭結(jié)點的后繼結(jié)點head.next
    Node s = node.next;
    // 如果這個后繼結(jié)點為空或者狀態(tài)大于0
    // 通過前面的定義我們知道，大于0只有一種可能，就是這個結(jié)點已被取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 等待隊列中所有還有用的結(jié)點，都向前移動
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果后繼結(jié)點不為空，
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

方法unparkSuccessor(Node)，意味著真正要釋放鎖了，它傳入的是head節(jié)點,內(nèi)部首先會發(fā)生的動作是獲取head節(jié)點的next節(jié)點，如果獲取到的節(jié)點不為空，則直接通過：“LockSupport.unpark()”方法來釋放對應(yīng)的被掛起的線程.

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