AQS中那些不得不说的理论知识

迈不过友情╰ 2022-09-14 03:15 132阅读 0赞

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## 一、概念 ##

AQS全称为`AbstractQueuedSynchronizer`（后面都以AQS简称），翻译过来叫做抽象队列同步器，是一个抽象类，其实也是一个单机多线程基础同步框架，这个框架通过对同步状态的原子性管理，实现对多线程的管理。子类应该定义一个非公开的内部类继承AQS，并实现其中方法。此部分介绍以独占模式为主。

子类根据需要需要重写下面的方法：

*  tryAcquire
 *  tryRelease
 *  tryReleaseShared
 *  isHeldExclusively等方法，并确保是线程安全的。

## 二、AQS实现的基础 ##

1、CAS:是compareandswap的简称,从字面上理解就是比较并更新。CAS操作是由Unsafe工具类来实现的，其操作具有原子性，我们一般通过CAS来改变状态。（状态被volatile修饰，因此具有可见性和有序性，所以CAS改变状态时是线程安全的）

2、队列：用来保存等待操作的资源，其数据结构一般为链表。当线程的请求在短时间内得不到满足时，线程会被包装成某种类型的数据结构放入队列中，当条件满足时则会拿出队列去重新获取锁。

3、状态：AQS及其子类的核心，AQS及其子类所有操作都是依据状态进进行的。状态一般会设置成volatile，保证其具有可见性，一定程度上具有有序性。它为 0 的时候代表没有线程占有锁，可以去争抢这个锁，用 CAS 将 state 设为 1，如果 CAS 成功，说明抢到了锁，这样其他线程就抢不到了。如果锁重入的话，state进行 +1 就可以，解锁就是减 1，直到 state 又变为 0，代表释放锁，所以 `lock()` 和`unlock()`必须要配对。共享模式的话，状态也是进行+1，解锁就是减一。

4、locksupport类的park和unpark方法。AQS队列的阻塞调用了Unsafe类中的park，park方法则借助于操作系统的实现来进行阻塞的，借此实现阻塞的两个特性：

1.  不耗 CPU 等待；
2.  线程安全。

## 三、AQS术语解释 ##

### 1、队列 ###

整个框架的关键就是如何管理被阻塞的线程的队列，该队列是严格的FIFO队列，因此，框架不支持基于优先级的同步。队列根据需要分为同步队列和条件队列。它们都是通过下面要介绍的AQS内部类Node来实现的。

#### 1.1、 同步队列（阻塞队列） ####

同步队列是双向链表结构，既然能做双向链表，它可以用来保存等待的线程以及线程的状态等信息。头结点是一个哨兵节点（是一个附加的链表节点,该节点作为第一个节点,但是它其实并不存储任何东西,只是为了操作的方便而引入的）。

#### 1.2、 条件队列（等待队列） ####

当使用Condition的时候，等待队列的概念就出来了。Condition的获取一般都要与一个锁Lock相关，一个锁上面可以生产多个Condition。即一个锁内的代码块可以新建多个Condition对象。

#### 1.3 同步队列和条件队列的关系 ####

Condition接口的主要实现类是AQS的内部类ConditionObject，每个Condition对象都包含一个等待队列。该队列是Condition对象实现等待/通知的关键。AQS中同步队列与等待队列的关系如下:

![78e2b82010494ba91a3425bc35333baa.png][]

### 2、Node ###

AQS的一个[内部类][Link 1]。用来包装竞争资源的线程，并将其组装成链表结构。

#### 2.1 prev ####

同步队列的前驱节点，条件队列没有这个概念。

#### 2.2 next ####

同步队列的后继节点，条件队列没有这个概念。

#### 2.3 thread ####

竞争资源的线程。

#### 2.4 nextWaiter ####

条件队列的下一个节点，同步队列没有这个概念。

#### 2.5 waitStatus ####

队列中节点的等待状态。

*  `static final int CANCELLED = 1;` 此节点的线程被取消 独占模式 共享模式
 *  `static final int SIGNAL = -1;` 此节点的后继节点线程被挂起，需要被唤醒 独占模式
 *  `static final int CONDITION = -2;` 此节点的线程在等待信号，也表明当前节点不在同步队列中，而在条件队列中
 *  `static final int PROPAGATE = -3;` 此节点下一个acquireShared应该无条件传播   共享模式

这四个属性就是waitStatus属性的具体状态，还有一个隐式的具体状态，即waitStatus初始化时为0。在独占模式下，我们只需要用到CANCELLED和SIGNAL，这里需要注意的是SIGNAL，它代表的不是自己线程的状态，而是它后继节点的状态，当一个节点的waitStatus被置为SIGNAL时，表明此节点的后继节点被挂起，当此节点释放锁或被取消放弃拿锁时，应该唤醒后继节点。而在共享模式时，我们会用到CANCELLED和PROPAGATE

### 3、ConditionObject ###

是AQS的内部类ConditionObject。

#### 3.1 firstWaiter ####

条件队列的第一个节点。

#### 3.2 lastWaiter ####

条件队列的最后一个节点。

#### 3.2 await() ####

3.2.1 创建一个条件队列节点，把自己加入到条件队列中，必要的时候初始化条件队列；

3.2.2 因为调用await的线程都持有锁，所以接下来需要执行AQS的release方法释放当前线程持有的锁，即让出锁，让其他线程执行；

3.2.3 利用park方法将当前线程挂起，等待唤醒；

3.2.4 其他线程调用`signal()`方法唤醒该线程（该方法是隐式的，在代码中没有体现，因为是多线程执行，体现在signal()）

*  将节点从条件队列转移到等待队列
 *  调用unpark方法唤醒线程
 *  重新竞争锁。这个步骤也很关键，这里可以区分[公平锁和非公平锁][Link 2]

#### 3.3 signal() ####

3.3.1 将条件队列中的的节点（firstWaiter）转移到同步队列中

3.3.2 把刚转移到同步队列中的节点前驱的waitstatus改为`SIGNAL(-1)`,用来唤醒后继节点。

### 4、队列同步器模式 ###

#### 4.1 共享模式 ####

同一时间只有一个线程能拿到锁执行。

#### 4.2 独占模式 ####

同一时间有多个线程可以拿到锁协同工作。

#### 4.3 公平锁 ####

多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，线程会直接进入队列去排队，永远都是队列的第一位才能得到锁。

#### 4.4 非公平锁 ####

多个线程去获取锁的时候，会直接去尝试获取，获取不到，再去进入等待队列，如果能获取到，就直接获取到锁。

#### 4.5 可重入锁 ####

广义上的可重入锁指的是可重复可递归调用的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，并且不发生死锁（前提得是同一个对象或者class），这样的锁就叫做可重入锁。ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

在ReentrantLock上的体现：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  //这里我就跳过着讲解了，ReentrantLock模式使用的是非公平锁，这样能提高系统的响应性能
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();  //获取资源的状态，
        if (c == 0) {     //为0就是别人还没有获取到锁，这个时候当前线程就可以获取到锁
            if (compareAndSetState(0, acquires)) { //用cas的方式获取到锁
                setExclusiveOwnerThread(current);  //这个方法里面就只有这一句  exclusiveOwnerThread = thread; 设置当前线程是独占线程
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {   //重点来了，这个方法就是主要判断是不是可重入的，如果之前的判断资源的状态是被上锁了，就会执行到这里，如果判断是本线程
            int nextc = c + acquires;  //把资源的的请求次数加1
            if (nextc < 0) // 当然也不是可以不限加的,如果超出的int的范围，抛出一个error的错误
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);  //设置资源状态
            return true;
        }
        return false;
    }

总结：ReentrantLock可重入主要体现在`current == getExclusiveOwnerThread()`这个判断方法上面。如果是当前重入线程，资源状态添加请求数，注意释放的时候也是要释放这个多次的。

### 5、acquire(int arg) 线程竞争锁 ###

竞争锁方法的路径`tryAcquire()->addWaiter()->acquireQueued()->selfInterrupt()`，其中tryAcquire()需要根据不同的业务场景，由不同实现类实现。由于是多线程模式，该方法使用了很多`for (;;)`来确保业务一定执行，具体可以参考源码。对应下面四个步骤：

5.1、[竞争锁][Link 3]。竞争成功终止操作，竞争失败执行以下步骤；

5.2、将线程包装成独占式节点，并入队，放到队尾；

5.3、 当前线程加入等待队列后，会通过acquireQueued方法基于CAS自旋不断尝试获取资源，直至获取到资源竞争成功移除该节点并终止操作；

竞争失败修改前驱节点`waitstatus=SIGNAL(-1)`，则会调用park阻塞线程。

5.4、 自我中断锁（用户线程第一次获取锁失败之后，进入CLH队列，此时会中断该线程）。

### 6、release(int arg) 线程释放锁 ###

释放锁的路径`tryRelease()->unparkSuccessor()`，其中tryAcquire()需要根据不同的业务场景，由不同实现类实现，

6.1 由于模板模式，不同的子类实现不同，一般是修改锁状态；

6.2 获取等待队列的头节点，调用`unpark()`唤醒后继节点的线程。

### 7、为什么唤醒后继节点中，是从后向前遍历？ ###

因为cancelAcquire方法的处理过程中只设置了next的变化，没有设置prev的变化，在最后有这样一行代码：`node.next = node`。并发情况下从前向后遍历的话，可能就死循环了，所以这时只有prev是稳定的。

唤醒后继节点的线程后，被唤醒的线程在`parkAndCheckInterrupt`方法，返回线程在park过程中是否被用户中断过，然后到`acquireQueued`方法中，如果该节点的前驱节点是头节点，则尝试获取资源，成功获取资源后，将是否被中断标识返回acquire方法，如果被中断过，那此时中断。

如果被唤醒的线程所在节点的前继节点不是头结点，经过`shouldParkAfterFailedAcquire`的调整（清除无效（`waitState=CANCELLED`）的节点），也会移动到等待队列的前面，直到其前继节点为头结点。

，如果该节点的前驱节点是头节点，则尝试获取资源，成功获取资源后，将是否被中断标识返回acquire方法，如果被中断过，那此时中断。如果被唤醒的线程所在节点的前继节点不是头结点，经过`shouldParkAfterFailedAcquire`的调整（清除无效（`waitState=CANCELLED`）的节点），也会移动到等待队列的前面，直到其前继节点为头结点。

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