Java并发包基石-AQS详解

布满荆棘的人生 2021-06-11 15:14 377阅读 0赞

[https://www.cnblogs.com/chengxiao/archive/2017/07/24/7141160.html][https_www.cnblogs.com_chengxiao_archive_2017_07_24_7141160.html]

Java并发包（JUC）中提供了很多并发工具，这其中，很多我们耳熟能详的并发工具，譬如ReentrangLock、Semaphore，它们的实现都用到了一个共同的基类--**AbstractQueuedSynchronizer**,简称AQS。AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

本章我们就一起探究下这个神奇的东东，并对其实现原理进行剖析理解

# 基本实现原理 #

AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。

private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过procted类型的**getState**，**setState**，**compareAndSetState**进行操作

AQS支持两种同步方式：

**　1.独占式**

**　　2.共享式**

这样方便使用者实现不同类型的同步组件，独占式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，组合式的如ReentrantReadWriteLock。总之，AQS为使用提供了底层支撑，如何组装实现，使用者可以自由发挥。

同步器的设计是基于**模板方法模式**的，一般的使用方式是这样：

**　1.使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）**

**　　2.将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。**

这其实是**模板方法模式**的一个很经典的应用。

我们来看看AQS定义的这些可重写的方法：

**protected boolean tryAcquire(int arg) : 独占式获取同步状态，试着获取，成功返回true，反之为false**

**　　　　protected boolean tryRelease(int arg) ：独占式释放同步状态，等待中的其他线程此时将有机会获取到同步状态；**

**　　　　protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式获取同步状态，返回值大于等于0，代表获取成功；反之获取失败；**

**　　　　protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态，成功为true，失败为false**

**　　　　protected boolean isHeldExclusively() ： 是否在独占模式下被线程占用。**

关于AQS的使用，我们来简单总结一下：

**如何使用**

首先，我们需要去继承AbstractQueuedSynchronizer这个类，然后我们根据我们的需求去重写相应的方法，比如要实现一个独占锁，那就去重写tryAcquire，tryRelease方法，要实现共享锁，就去重写tryAcquireShared，tryReleaseShared；最后，在我们的组件中调用AQS中的模板方法就可以了，而这些模板方法是会调用到我们之前重写的那些方法的。也就是说，我们只需要很小的工作量就可以实现自己的同步组件，重写的那些方法，仅仅是一些简单的对于共享资源state的获取和释放操作，至于像是获取资源失败，线程需要阻塞之类的操作，自然是AQS帮我们完成了。

**设计思想**

对于使用者来讲，我们无需关心获取资源失败，线程排队，线程阻塞/唤醒等一系列复杂的实现，这些都在AQS中为我们处理好了。我们只需要负责好自己的那个环节就好，也就是获取/释放共享资源state的姿势T\_T。很经典的模板方法设计模式的应用，AQS为我们定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现即可。

# 自定义同步器 #

**同步器代码实现**

上面大概讲了一些关于AQS如何使用的理论性的东西，接下来，我们就来看下实际如何使用，直接采用JDK官方文档中的小例子来说明问题

![复制代码][copycode.gif]

1 package juc;
     2 
     3 import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
     4 
     5 /**
     6  * Created by chengxiao on 2017/3/28.
     7  */
     8 public class Mutex implements java.io.Serializable {
     9     //静态内部类，继承AQS
    10     private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    11         //是否处于占用状态
    12         protected boolean isHeldExclusively() {
    13             return getState() == 1;
    14         }
    15         //当状态为0的时候获取锁，CAS操作成功，则state状态为1，
    16         public boolean tryAcquire(int acquires) {
    17             if (compareAndSetState(0, 1)) {
    18                 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    19                 return true;
    20             }
    21             return false;
    22         }
    23         //释放锁，将同步状态置为0
    24         protected boolean tryRelease(int releases) {
    25             if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
    26             setExclusiveOwnerThread(null);
    27             setState(0);
    28             return true;
    29         }
    30     }
    31         //同步对象完成一系列复杂的操作，我们仅需指向它即可
    32         private final Sync sync = new Sync();
    33         //加锁操作，代理到acquire（模板方法）上就行，acquire会调用我们重写的tryAcquire方法
    34         public void lock() {
    35             sync.acquire(1);
    36         }
    37         public boolean tryLock() {
    38             return sync.tryAcquire(1);
    39         }
    40         //释放锁，代理到release（模板方法）上就行，release会调用我们重写的tryRelease方法。
    41         public void unlock() {
    42             sync.release(1);
    43         }
    44         public boolean isLocked() {
    45             return sync.isHeldExclusively();
    46         }
    47 }

![复制代码][copycode.gif]

**同步器代码测试**

测试下这个自定义的同步器，我们使用之前文章中做过的并发环境下a++的例子来说明问题（a++的原子性其实最好使用原子类AtomicInteger来解决，此处用Mutex有点大炮打蚊子的意味，好在能说明问题就好）

![ContractedBlock.gif][] TestMutex

测试结果：

加锁前，a=279204
    加锁后，a=300000

# 源码分析 #

我们先来简单描述下AQS的基本实现，前面我们提到过，AQS维护一个共享资源state，通过内置的FIFO来完成获取资源线程的排队工作。（这个内置的同步队列称为"CLH"队列）。该队列由一个一个的Node结点组成，每个Node结点维护一个prev引用和next引用，分别指向自己的前驱和后继结点。AQS维护两个指针，分别指向队列头部head和尾部tail。

![1024555-20170717114859238-311670115.png][]

其实就是个**双端双向链表**。

当线程获取资源失败（比如tryAcquire时试图设置state状态失败），会被构造成一个结点加入CLH队列中，同时当前线程会被阻塞在队列中（通过LockSupport.park实现，其实是等待态）。当持有同步状态的线程释放同步状态时，会唤醒后继结点，然后此结点线程继续加入到对同步状态的争夺中。

**Node结点**

Node结点是AbstractQueuedSynchronizer中的一个静态内部类，我们捡Node的几个重要属性来说一下

![复制代码][copycode.gif]

1 static final class Node {
     2         /** waitStatus值，表示线程已被取消（等待超时或者被中断）*/
     3         static final int CANCELLED =  1;
     4         /** waitStatus值，表示后继线程需要被唤醒（unpaking）*/
     5         static final int SIGNAL    = -1;
     6         /**waitStatus值，表示结点线程等待在condition上，当被signal后，会从等待队列转移到同步到队列中 */
     7         /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
     8         static final int CONDITION = -2;
     9        /** waitStatus值，表示下一次共享式同步状态会被无条件地传播下去
    10         static final int PROPAGATE = -3;
    11         /** 等待状态，初始为0 */
    12         volatile int waitStatus;
    13         /**当前结点的前驱结点 */
    14         volatile Node prev;
    15         /** 当前结点的后继结点 */
    16         volatile Node next;
    17         /** 与当前结点关联的排队中的线程 */
    18         volatile Thread thread;
    19         /** ...... */
    20     }

![复制代码][copycode.gif]

## 独占式 ##

**　获取同步状态--acquire()**

**　　**来看看acquire方法，lock方法一般会直接代理到acquire上

1  public final void acquire(int arg) {
    2         if (!tryAcquire(arg) &&
    3             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    4             selfInterrupt();
    5     }

我们来简单理一下代码逻辑：

**a.首先，调用使用者重写的tryAcquire方法，若返回true，意味着获取同步状态成功，后面的逻辑不再执行；若返回false，也就是获取同步状态失败，进入b步骤；**

**　　　　b.此时，获取同步状态失败，构造独占式同步结点，通过addWatiter将此结点添加到同步队列的尾部（此时可能会有多个线程结点试图加入同步队列尾部，需要以线程安全的方  式添加）；**

**　　　　c.该结点以在队列中尝试获取同步状态，若获取不到，则阻塞结点线程，直到被前驱结点唤醒或者被中断。**

**addWaiter**

为获取同步状态失败的线程，构造成一个Node结点，添加到同步队列尾部

![复制代码][copycode.gif]

private Node addWaiter(Node mode) {
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//构造结点
            //指向尾结点tail
            Node pred = tail;
            //如果尾结点不为空，CAS快速尝试在尾部添加，若CAS设置成功，返回；否则，eng。
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            enq(node);
            return node;
        }

![复制代码][copycode.gif]

先cas快速设置，若失败，进入enq方法

将结点添加到同步队列尾部这个操作，同时可能会有多个线程尝试添加到尾部，是非线程安全的操作。

以上代码可以看出，使用了compareAndSetTail这个cas操作保证安全添加尾结点。

**enq方法**

![复制代码][copycode.gif]

private Node enq(final Node node) {
            for (;;) {
                Node t = tail;
                if (t == null) { //如果队列为空，创建结点，同时被head和tail引用
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else {
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {//cas设置尾结点，不成功就一直重试
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }

![复制代码][copycode.gif]

enq内部是个死循环，通过CAS设置尾结点，不成功就一直重试。很经典的CAS自旋的用法，我们在之前关于原子类的源码分析中也提到过。这是一种**乐观的并发策略**。

最后，看下acquireQueued方法

**acquireQueued**

![复制代码][copycode.gif]

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            boolean failed = true;
            try {
                boolean interrupted = false;
                for (;;) {//死循环
                    final Node p = node.predecessor();//找到当前结点的前驱结点
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前驱结点是头结点，才tryAcquire，其他结点是没有机会tryAcquire的。
                        setHead(node);//获取同步状态成功，将当前结点设置为头结点。
                        p.next = null; // 方便GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // 如果没有获取到同步状态，通过shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该阻塞，parkAndCheckInterrupt用来阻塞线程
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

![复制代码][copycode.gif]

acquireQueued内部也是一个死循环，只有前驱结点是头结点的结点，也就是老二结点，才有机会去tryAcquire；若tryAcquire成功，表示获取同步状态成功，将此结点设置为头结点；若是非老二结点，或者tryAcquire失败，则进入shouldParkAfterFailedAcquire去判断判断当前线程是否应该阻塞，若可以，调用parkAndCheckInterrupt阻塞当前线程，直到被中断或者被前驱结点唤醒。若还不能休息，继续循环。

**shouldParkAfterFailedAcquire**

shouldParkAfterFailedAcquire用来判断当前结点线程是否能休息

![复制代码][copycode.gif]

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
            //获取前驱结点的wait值 
            int ws = pred.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL)//若前驱结点的状态是SIGNAL，意味着当前结点可以被安全地park
                return true;
            if (ws > 0) {
            // ws>0，只有CANCEL状态ws才大于0。若前驱结点处于CANCEL状态，也就是此结点线程已经无效，从后往前遍历，找到一个非CANCEL状态的结点，将自己设置为它的后继结点
                do {
                    node.prev = pred = pred.prev;
                } while (pred.waitStatus > 0);
                pred.next = node;
            } else {  
                // 若前驱结点为其他状态，将其设置为SIGNAL状态
                compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
            }
            return false;
        }

![复制代码][copycode.gif]

若shouldParkAfterFailedAcquire返回true，也就是当前结点的前驱结点为SIGNAL状态，则意味着当前结点可以放心休息，进入parking状态了。parkAncCheckInterrupt阻塞线程并处理中断。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
            LockSupport.park(this);//使用LockSupport使线程进入阻塞状态
            return Thread.interrupted();// 线程是否被中断过
        }

至此，关于acquire的方法源码已经分析完毕，我们来简单总结下

**a.首先tryAcquire获取同步状态，成功则直接返回；否则，进入下一环节；**

**　　　　b.线程获取同步状态失败，就构造一个结点，加入同步队列中，这个过程要保证线程安全；**

**　　　　c.加入队列中的结点线程进入自旋状态，若是老二结点（即前驱结点为头结点），才有机会尝试去获取同步状态；否则，当其前驱结点的状态为SIGNAL，线程便可安心休息，进入阻塞状态，直到被中断或者被前驱结点唤醒。**

**　　释放同步状态--release()**

当前线程执行完自己的逻辑之后，需要释放同步状态，来看看release方法的逻辑

![复制代码][copycode.gif]

public final boolean release(int arg) {
            if (tryRelease(arg)) {//调用使用者重写的tryRelease方法，若成功，唤醒其后继结点，失败则返回false
                Node h = head;
                if (h != null && h.waitStatus != 0)
                    unparkSuccessor(h);//唤醒后继结点
                return true;
            }
            return false;
        }

![复制代码][copycode.gif]

unparkSuccessor:唤醒后继结点

![复制代码][copycode.gif]

1 private void unparkSuccessor(Node node) {
     2         //获取wait状态
     3         int ws = node.waitStatus;
     4         if (ws < 0)
     5             compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);// 将等待状态waitStatus设置为初始值0
     6         Node s = node.next;//后继结点
     7         if (s == null || s.waitStatus > 0) {//若后继结点为空，或状态为CANCEL（已失效），则从后尾部往前遍历找到一个处于正常阻塞状态的结点　　　　　进行唤醒
     8             s = null;
     9             for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
    10                 if (t.waitStatus <= 0)
    11                     s = t;
    12         }
    13         if (s != null)
    14             LockSupport.unpark(s.thread);//使用LockSupprot唤醒结点对应的线程
    15     }

![复制代码][copycode.gif]

release的同步状态相对简单，需要找到头结点的后继结点进行唤醒，若后继结点为空或处于CANCEL状态，从后向前遍历找寻一个正常的结点，唤醒其对应线程。

## 共享式 ##

共享式：共享式地获取同步状态。对于独占式同步组件来讲，同一时刻只有一个线程能获取到同步状态，其他线程都得去排队等待，其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquire返回值为boolean，这很容易理解；对于共享式同步组件来讲，同一时刻可以有多个线程同时获取到同步状态，这也是“共享”的意义所在。其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquireShared返回值为int。

protected int tryAcquireShared(int arg) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

**1.当返回值大于0时，表示获取同步状态成功，同时还有剩余同步状态可供其他线程获取；**

**　　2.当返回值等于0时，表示获取同步状态成功，但没有可用同步状态了；**

**　　3.当返回值小于0时，表示获取同步状态失败。**

**获取同步状态--acquireShared**

public final void acquireShared(int arg) {
            if (tryAcquireShared(arg) < 0)//返回值小于0，获取同步状态失败，排队去；获取同步状态成功，直接返回去干自己的事儿。
                doAcquireShared(arg);
        }

**doAcquireShared**

![复制代码][copycode.gif]

1  private void doAcquireShared(int arg) {
     2         final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//构造一个共享结点，添加到同步队列尾部。若队列初始为空，先添加一个无意义的傀儡结点，再将新节点添加到队列尾部。
     3         boolean failed = true;//是否获取成功
     4         try {
     5             boolean interrupted = false;//线程parking过程中是否被中断过
     6             for (;;) {//死循环
     7                 final Node p = node.predecessor();//找到前驱结点
     8                 if (p == head) {//头结点持有同步状态，只有前驱是头结点，才有机会尝试获取同步状态
     9                     int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取同步装填
    10                     if (r >= 0) {//r>=0,获取成功
    11                         setHeadAndPropagate(node, r);//获取成功就将当前结点设置为头结点，若还有可用资源，传播下去，也就是继续唤醒后继结点
    12                         p.next = null; // 方便GC
    13                         if (interrupted)
    14                             selfInterrupt();
    15                         failed = false;
    16                         return;
    17                     }
    18                 }
    19                 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//是否能安心进入parking状态
    20                     parkAndCheckInterrupt())//阻塞线程
    21                     interrupted = true;
    22             }
    23         } finally {
    24             if (failed)
    25                 cancelAcquire(node);
    26         }
    27     }

![复制代码][copycode.gif]

大体逻辑与独占式的acquireQueued差距不大，只不过由于是共享式，会有多个线程同时获取到线程，也可能同时释放线程，空出很多同步状态，所以当排队中的老二获取到同步状态，如果还有可用资源，会继续传播下去。

**　　setHeadAndPropagate**

![复制代码][copycode.gif]

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
            Node h = head; // Record old head for check below
            setHead(node);
            if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
                Node s = node.next;
                if (s == null || s.isShared())
                    doReleaseShared();
            }
        }

![复制代码][copycode.gif]

**释放同步状态--releaseShared**

![复制代码][copycode.gif]

public final boolean releaseShared(int arg) {
            if (tryReleaseShared(arg)) {
                doReleaseShared();//释放同步状态
                return true;
            }
            return false;
        }

![复制代码][copycode.gif]

**doReleaseShared**

![复制代码][copycode.gif]

private void doReleaseShared() {
            for (;;) {//死循环，共享模式，持有同步状态的线程可能有多个，采用循环CAS保证线程安全
                Node h = head;
                if (h != null && h != tail) {
                    int ws = h.waitStatus;
                    if (ws == Node.SIGNAL) {
                        if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                            continue;          
                        unparkSuccessor(h);//唤醒后继结点
                    }
                    else if (ws == 0 &&
                             !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                        continue;                
                }
                if (h == head)              
                    break;
            }
        }

![复制代码][copycode.gif]

代码逻辑比较容易理解，需要注意的是，共享模式，释放同步状态也是多线程的，此处采用了CAS自旋来保证。

# 总结 #

关于AQS的介绍及源码分析到此为止了。

AQS是JUC中很多同步组件的构建基础，简单来讲，它内部实现主要是状态变量state和一个FIFO队列来完成，同步队列的头结点是当前获取到同步状态的结点，获取同步状态state失败的线程，会被构造成一个结点（或共享式或独占式）加入到同步队列尾部（采用自旋CAS来保证此操作的线程安全），随后线程会阻塞；释放时唤醒头结点的后继结点，使其加入对同步状态的争夺中。

AQS为我们定义好了顶层的处理实现逻辑，我们在使用AQS构建符合我们需求的同步组件时，只需重写tryAcquire，tryAcquireShared，tryRelease，tryReleaseShared几个方法，来决定同步状态的释放和获取即可，至于背后复杂的线程排队，线程阻塞/唤醒，如何保证线程安全，都由AQS为我们完成了，这也是非常典型的模板方法的应用。AQS定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现。

[https_www.cnblogs.com_chengxiao_archive_2017_07_24_7141160.html]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/archive/2017/07/24/7141160.html
[copycode.gif]: /images/20210527/eea0c77832a64164818372277cdc2058.png
[ContractedBlock.gif]: /images/20210527/abf80cb415c948c9b6472567b1874c3b.png
[1024555-20170717114859238-311670115.png]: /images/20210527/fc75594cfdb345e2995d6f8f3bb443f7.png