面试题:了解Java的AQS吗?

待我称王封你为后i 2022-01-13 15:41 223阅读 0赞

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# 前言 #

java.util.concurrent包（之后简称JUC包）中，提供了大量的同步与并发的工具类，是多线程编程的“利器”。其中locks包下，包含了多种锁，如ReentrantLock独占锁、ReentrantReadWriteLock读写锁、Semaphore信号量（共享锁）等，而这些锁有一个共同的基础类：AbstractQueuedSynchronizer。

# AQS简介 #

AQS是一个抽象类，不可以被实例化，它的设计之初就是为了让子类通过继承来实现多样的功能的。它内部提供了一个FIFO的等待队列，用于多个线程等待一个事件（锁）。它有一个重要的状态标志——state，该属性是一个int值，表示对象的当前状态（如0表示lock，1表示unlock）。AQS提供了三个protected final的方法来改变state的值，分别是：getState、setState(int)、compareAndSetState(int, int)。根据修饰符，它们是不可以被子类重写的，但可以在子类中进行调用，这也就意味着子类可以根据自己的逻辑来决定如何使用state值。

AQS的子类应当被定义为内部类，作为内部的helper对象。事实上，这也是juc种锁的做法，如ReentrantLock，便是通过内部的Sync对象来继承AQS的。AQS中定义了一些未实现的方法（抛出UnsupportedOperationException异常）

*  tryAcquire(int) 尝试获取state
 *  tryRelease(int) 尝试释放state
 *  tryAcquireShared(int) 共享的方式尝试获取
 *  tryReleaseShared(int) 共享的方式尝试释放
 *  isHeldExclusively() 判断当前是否为独占锁

这些方法是子类需要实现的，可以选择实现其中的一部分。根据实现方式的不同，可以分为两种：独占锁和共享锁。其中JUC中锁的分类为:

*  独占锁：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock
 *  共享锁：ReentrantReadWriteLock.ReadLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore

其实现方式为：

*  独占锁实现的是tryAcquire(int)、tryRelease(int)
 *  共享锁实现的是tryAcquireShared(int)、tryReleaseShared(int)

AQS中还提供了一个内部类ConditionObject，它实现了Condition接口，可以用于await/signal。采用CLH队列的算法，唤醒当前线程的下一个节点对应的线程，而signalAll唤醒所有线程。

总的来说，AQS提供了三个功能：

1.  实现独占锁
2.  实现共享锁
3.  实现Condition模型

# 源码解析 #

## Node解析 ##

AQS内部定义了一个static final的内部类Node，用于实现等待队列CLH，满足FIFO结构，其队列结构如下所示：

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队列为一个双向链表结构，保存了head、tail两个指针，分别指向链表头部、尾部。当需要添加节点时，直接在tail位置添加，而dequeue操作直接对head节点进行。Node中定义如下常量：

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以上常量分别用于设置如下属性的值：

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Node类型的常量SHARED、EXCLUSIVE用于设置nextWaiter，用于表示当前节点是共享的，还是互斥的，分别用于共享锁和独占锁。int类型的常量CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE用于设置waitStatus，用于在ConditionObject中使用，可以实现await/signal模型。

Node有三个构造函数：

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## AQS属性 ##

AQS使用内部类Node，构造一个双向链表，用作FIFO队列；除此之外，AQS还存放一个int类型的属性state，用于表示当前的同步状态。

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head节点是一个哨兵节点，不存放实际的“线程”节点（使用Node的无参构造函数）。tail指向链表的最后一个节点，当新增节点时，将新节点作为当前tail的下一个节点，通过CAS设置成功后,将新节点设为新的tail节点即可。新增节点的源码如下：

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enq操作是一个无限循环的操作，最终总会成功，但根据代码可知，AQS应不是starvation free的，因为某个线程可能会持续的enq失败。AQS提供了形如doAcquireNanos方法，但其超时返回false操作是在addWaiter方法(内部调用enq)之后，也无法回避enq的starvation。在此顺便说一下，AQS也是无法保证fair的，也就是说先入队列的线程不一定先获取到锁。节点的CAS是通过Unsafe来实现的，在state中统一说明。

state表示AQS当前的同步状态，如0表示lock，1表示unlock状态。对state的操作，提供了三个方法。

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可以看到compareAndSetState使用的是unsafe对象的compareAndSwapInt方法，传入this指针，state属性的偏移地址，期待值expect，更新值update，可以实现CAS操作。state属性的偏移地址获取方式如下：

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实际上，AQS的head、tail节点，内部类Node的waitStatus、next属性均使用unsafe对象，通过偏移地址来进行CAS操作。Unsafe是sun.misc包下的类，在Java API中没有官方文档，因为它是用于实现Java库的，Java中有一个功能类似的类，可以实现对象属性的CAS操作。

AQS还有一个属性`static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;`，用于表示自旋的时间，小于1000纳秒的采用自旋锁，大于1000纳秒，使用LockSupport.park方法，将线程挂起。

## 重要方法分析 ##

AQS是用于实现独占锁或共享锁的，对于一个锁来说，最重要的就是lock和unlock操作了，对应到AQS中，为acquire、release方法，由于AQS需要和子类进行“**合作**”，lock方法调用内部类的acquire方法，也就是AQS的acquire方法。unlock方法调用release方法。  
下面对两个流程进行分析

### acquire ###

acquire是独占锁的获取锁的方法，其源码如下：

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acquire方法非常简单，如果tryAcquire失败（返回false），则调用acquireQueued方法，将当前线程加入到等待队列中，并中断当前线程，等待唤醒。

tryAcquire由子类实现，下面先分析acquireQueued方法。

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acquireQueued在addWaiter之后，再次尝试获取锁，与tryAcquire不同的是，返回值代表的是当前线程在等待时是否可中断，通过返回interrupted，true表示可中断，false表示不可中断。通过判断当前节点是否为队列第一个节点，来决定是否获取成功，acquireQueued方法相当于提供了一个默认方法，会被子类的tryAcquire方法屏蔽掉（若tryAcquire返回true的话）。acquireQueued使用了死循环来判断当前节点前一节点是否为head，是，则获取到锁。但这个方法真的是死循环吗？其实不是的，trick就在shouldParkAfterFailedAcquire方法中，其源码如下：

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由于在锁的使用情景内，Node的waitStatus初始必定是0，因此获取锁的时候shouldParkAfterFailedAcquire方法首次进入，前一节点的waitStatus必定为0，执行compareAndSet将其设置为Node.SIGNAL(-1),再次调用shouldParkAfterFailedAcquire时，必定返回true。因此acquireQueued方法并不是死循环，而是在调用两次shouldParkAfterFailedAcquire方法之后（第一次将waitStatus设为-1，第二次返回true），执行了parkAndCheckInterrupt方法，挂起了当前线程。parkAndCheckInterrupt内调用了LockSupport.park(this)，查阅API可知，park方法挂起当前线程，并在以下三种情况下立即返回。

*  其他线程调用unpark，唤醒了当前线程
 *  其他线程调用了interrupt，中断了当前线程
 *  方法虚假返回（for no reason）

在AQS中，常见的为调用unpark(其他线程执行release释放锁时)唤醒了当前线程。当前线程唤醒之后，继续调用acquireQueue中的for循环，判断是否可以获取锁。

tryAcquire会调用子类Mutex.Sync的实现，其代码如下：

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由此可见,AQS提供了一个模板，子类需要实现其tryAcquire方法，实现具体的获取锁逻辑（通过对state的读、写），子类lock方法直接调用AQS的acquire方法即可。

### release方法 ###

Mutex的unlock方法调用了release方法，在AQS中定义，源码如下：

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还是同样的配方，release方法调用子类实现的tryRelease，返回true后，表示获取成功，之后判断头节点，由于锁的实现中，waitStatus必定为0或者-1，而当一个线程lock成功后，waitStatus必定为-1，所以执行unparkSuccessor方法，该方法首先将head节点的waitStatus设为0，之后判断head下一节点是否为空，若不为空且waitStatus不大于0（大于0表示线程被取消），则调用LockSupport.unpark唤醒下一节点对应的线程；若为空或线程被取消，从tail节点开始遍历队列，找到队列中距离head节点最近的、未被cancel（waitStatus小于0）的节点，调用LockSupport.unpark唤醒它。源码如下：

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这里简单介绍一下为什么循环是从tail往前遍历，这是因为CAS操作无法对双向链表进行原子插入，在enq中，具体的插入是，先将新节点指向tail，然后CAS将tail设为新节点，因此对于pred指针的设置时原子性的，可以保证从tail向前遍历可以找到所有的节点。而next指针只是一种优化路径，方便查找，并不能保证next为null，则该节点为队列的最后一个节点。

tryRelease方法的源码如下：

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由源码可知，tryRelease只需要将state设置为0即可，因为调用unlock方法的必定是之前调用lock成功的，因此当前state必定为1，为安全起见，使用getState判断是否为0，若为0，说明线程出错。state设置时，不需要调用CAS方法，只需要setState即可，保证write对于其他线程可见即可（通过volatile内存屏障保证）。

# 总结 #

AQS提供了一个框架，在其上可以构建丰富的线程同步工具类，JUC包中ReadWriteLock、CountDownLatch都是基于AQS实现的，AQS在JUC包中的地位相当重要。

AQS提供了三大功能：独占锁、共享锁、ConditionObject。子类在实现中，可以实现其一部分方法。其编程思想值得借鉴，通过超类实现基本的处理流程，将其中部分抽成未实现方法，默认抛出异常，由子类实现，这种解耦方式，最大化的减少了代码的重复，且便于子类在实现中个性化自己的处理逻辑。

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