硬核剖析Java锁底层AQS源码，深入理解底层架构设计

逃离我推掉我的手 2023-09-23 14:55 103阅读 0赞

我们常见的并发锁**ReentrantLock**、**CountDownLatch**、**Semaphore**、**CyclicBarrier**都是基于**AQS**实现的，所以说不懂**AQS**实现原理的，就不能说了解Java锁。

这篇文章再一块看一下AQS具体源码实现。

先回顾一下AQS的加锁流程

## 1. AQS加锁流程 ##

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**AQS**的加锁流程并不复杂，只要理解了**同步队列**和**条件队列**，以及它们之间的数据流转，就算彻底理解了**AQS**。

1.  当多个线程竞争AQS锁时，如果有个线程获取到锁，就把ower线程设置为自己
2.  没有竞争到锁的线程，在同步队列中阻塞（同步队列采用双向链表，尾插法）。
3.  持有锁的线程调用await方法，释放锁，追加到条件队列的末尾（条件队列采用单链表，尾插法）。
4.  持有锁的线程调用signal方法，唤醒条件队列的头节点，并转移到同步队列的末尾。
5.  同步队列的头节点优先获取到锁

了解AQS加锁流程之后，再去看源码就容易理解了。

## 2. AQS的数据结构 ##

// 继承自AbstractOwnableSynchronizer，为了记录哪个线程占用锁
    public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
      
        // 同步状态，0表示无锁，每次加锁+1，释放锁-1
        private volatile int state;
    
        // 同步队列的头尾节点
        private transient volatile Node head;
        private transient volatile Node tail;
    
        // Node节点，用来包装线程，放到队列中
        static final class Node {
            // 节点中的线程
            volatile Thread thread;
    
            // 节点状态
            volatile int waitStatus;
    
            // 同步队列的前驱节点和后继节点
            volatile Node prev;
            volatile Node next;
    
            // 条件队列的后继节点
            Node nextWaiter;
        }
    
        // 条件队列
        public class ConditionObject implements Condition {
            // 条件队列的头尾节点
            private transient Node firstWaiter;
            private transient Node lastWaiter;
        }
    }

首先AQS继承自AbstractOwnableSynchronizer，其实是为了记录哪个线程正在占用锁。

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {
    
        private transient Thread exclusiveOwnerThread;
    
        // 设置占用锁的线程
        protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
            exclusiveOwnerThread = thread;
        }
    
        protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
            return exclusiveOwnerThread;
        }
    }

无论是同步队列还是条件队列中线程都需要包装成Node节点。

![0bc1e1e12d50c6842465353f3eb3c1f0.png][]

虽然同步队列和条件队列都是由Node节点组成的，但是同步队列中是使用prev和next组成双向链表，nextWaiter只用来表示是共享模式还是排他模式。

条件队列没有使用到Node中prev和next属性，而是使用nextWaiter组成单链表。

这个复用对象的设计思想值得我们学习。

同步队列head节点是个哑节点，里面并没有存储线程对象。当然head节点也可以看成是给当前持有锁的线程使用的。

Node节点的状态（waitStatus）共有5种：

*  1 cancelled：表示线程已经被取消
 *  0 初始化：Node节点的默认值
 *  \-1 signal: 表示节点线程在释放锁后要唤醒同步队列中的下一个节点线程
 *  \-2 condition: 当前节点在条件队列中
 *  \-3 propagate: 释放共享资源的时候会向后传播释放其他共享节点(用于共享模式)

## 3. AQS方法概览 ##

AQS支持独占和共享两种访问资源的模式（独占模式又叫排他模式）。

独占模式的方法：

// 加锁
    acquire();
    // 加可中断的锁
    acquireInterruptibly();
    // 一段时间内，加锁不成功，就不加了
    tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
    // 释放锁
    release();

共享模式的方法：

// 加锁
    acquireShared();
    // 加可中断的锁
    acquireSharedInterruptibly();
    // 一段时间内，加锁不成功，就不加了
    tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
    // 释放锁
    releaseShared();

独占模式和共享模式的方法并没有实现具体的加锁、释放锁逻辑，AQS中只是定义了加锁、释放锁的抽象方法。

留给子类实现的抽象方法：

// 加独占锁
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    // 释放独占锁
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    // 加共享锁
    protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    // 释放共享锁
    protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    // 判断是否是当前线程正在持有锁
    protected boolean isHeldExclusively() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

这里就用到了设计模式中的模板模式，父类AQS定义了加锁、释放锁的流程，子类**ReentrantLock**、**CountDownLatch**、**Semaphore**、**CyclicBarrier**负责实现具体的加锁、释放锁逻辑。

这不是个面试知识点吗？

面试官再问你，你看过哪些框架源码使用到了设计模式？

你就可以回答AQS源码中用到了模板模式，巴拉巴拉，妥妥的加分项！

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## 4. AQS源码剖析 ##

整个加锁流程如下：

![6e79e1a7c9b44c11384b90b1d07c353b.png][]

先看一下加锁方法的源码：

### 4.1 加锁 ###

// 加锁方法，传参是1
    public final void acquire(int arg) {
        // 1. 首先尝试获取锁，如果获取成功，则设置state+1，exclusiveOwnerThread=currentThread（留给子类实现）
        if (!tryAcquire(arg) &&
                // 2. 如果没有获取成功，把线程组装成Node节点，追加到同步队列末尾
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
            // 3. 加入同步队列后，将自己挂起
            selfInterrupt();
        }
    }

再看一下addWaiter方法源码，作用就是把线程组装成Node节点，追加到同步队列末尾。

// 追加到同步队列末尾，传参是共享模式or排他模式
    private Node addWaiter(Node mode) {
        // 1. 组装成Node节点
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            // 2. 在多线程竞争不激烈的情况下，通过CAS方法追加到同步队列末尾
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 3. 在多线程竞争激烈的情况下，使用死循环保证追加到同步队列末尾
        enq(node);
        return node;
    }
    
    // 创建Node节点，传参是线程，共享模式or排他模式
    Node(Thread thread, Node mode) {
      	this.thread = thread;
        this.nextWaiter = mode;
    }
    
    // 通过死循环的方式，追加到同步队列末尾
    private Node enq(final Node node) {
        for (; ; ) {
            Node t = tail;
            if (t == null) {
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

再看一下addWaiter方法外层的acquireQueued方法，作用就是：

1.  在追加到同步队列末尾后，再判断一下前驱节点是不是头节点。如果是，说明是第一个加入同步队列的，就再去尝试获取锁。
2.  如果获取锁成功，就把自己设置成头节点。
3.  如果前驱节点不是头节点，或者获取锁失败，就逆序遍历同步队列，找到可以将自己唤醒的节点。
4.  最后才放心地将自己挂起

// 追加到同步队列末尾后，再次尝试获取锁
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (; ; ) {
                // 1. 找到前驱节点
                final Node p = node.predecessor();
                // 2. 如果前驱节点是头结点，就再次尝试获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 3. 获取锁成功后，把自己设置为头节点
                    setHead(node);
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                // 4. 如果还是没有获取到锁，找到可以将自己唤醒的节点
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        // 5. 最后才放心地将自己挂起
                        parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法，是怎么找到将自己唤醒的节点的？为什么要找这个节点？

// 加入同步队列后，找到能将自己唤醒的节点
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        // 1. 如果前驱节点的状态已经是SIGNAL状态（释放锁后，需要唤醒后继节点），就无需操作了
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        // 2. 如果前驱节点的状态是已取消，就继续向前遍历
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            // 3. 找到了不是取消状态的节点，把该节点状态设置成SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

从代码中可以很清楚的看到，目的就是为了找到不是取消状态的节点，并把该节点的状态设置成SIGNAL。

状态是SIGNAL的节点，释放锁后，需要唤醒其后继节点。

简单理解就是：小弟初来乍到，特意来知会老大一声，有好事，多通知小弟。

再看一下释放锁的逻辑。

### 4.2 释放锁 ###

释放锁的流程如下：

![b599548c365d6b3f4cdf12dbb2066734.png][]

释放锁的代码逻辑比较简单：

// 释放锁
    public final boolean release(int arg) {
        // 1. 先尝试释放锁，如果时候成功，则设置state-1，exclusiveOwnerThread=null（由子类实现）
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            // 2. 如果同步队列中还有其他节点，就唤醒下一个节点
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                // 3. 唤醒其后继节点
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

再看一下唤醒后继节点的方法

// 唤醒后继节点
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        // 1. 如果头节点不是取消状态，就重置成初始状态
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    
        Node s = node.next;
        // 2. 如果后继节点是null或者是取消状态
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            // 3. 从队尾开始遍历，找到一个有效状态的节点
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        // 3. 唤醒这个有效节点
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

### 4.3 await等待 ###

await等待的流程：

![929d0dc7609a085768f2463f0265eea1.jpeg][]

持有锁的线程可以调用await方法，作用是：释放锁，并追加到条件队列末尾。

// 等待方法
    public final void await() throws InterruptedException {
        // 如果线程已中断，则中断
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 1. 追加到条件队列末尾
        Node node = addConditionWaiter();
        // 2. 释放锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        // 3. 有可能刚加入条件队列就被转移到同步队列了，如果还在条件队列，就可以放心地挂起自己
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 4. 如果已经转移到同步队列，就尝试获取锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            // 5. 清除条件队列中已取消的节点
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

再看一下addConditionWaiter方法，是怎么追加到条件队列末尾的？

// 追加到条件队列末尾
    private Node addConditionWaiter() {
        Node t = lastWaiter;
        // 1. 清除已取消的节点，找到有效节点
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            unlinkCancelledWaiters();
            t = lastWaiter;
        }
        // 2. 创建Node节点，状态是-2（表示处于条件队列）
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        // 3. 追加到条件队列末尾
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        else
            t.nextWaiter = node;
        lastWaiter = node;
        return node;
    }

### 4.4 signal唤醒 ###

signal唤醒的流程：

![cc89102daafe72c563f59f50533f712d.jpeg][]

唤醒条件队列的头节点，并追加到同步队列末尾。

// 唤醒条件队列的头节点
    public final void signal() {
        // 1. 只有持有锁的线程才能调用signal方法
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 2. 找到条件队列的头节点
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            // 3. 开始唤醒
            doSignal(first);
    }
    
    // 实际的唤醒方法
    private void doSignal(Node first) {
        do {
            // 4. 从条件队列中移除头节点
            if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                lastWaiter = null;
            first.nextWaiter = null;
            // 5. 使用死循环，一定要转移一个节点到同步队列
        } while (!transferForSignal(first) &&
                (first = firstWaiter) != null);
    }

到底是怎么转移到同步队列末尾的？

// 实际转移方法
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        // 1. 把节点状态从CONDITION改成0
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
    
        // 2. 使用死循环的方式，追加到同步队列末尾（前面已经讲过）
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        // 3. 把前驱节点状态设置SIGNAL（通知他，别忘了唤醒老弟）
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

## 5. 总结 ##

看完整个AQS的源码，是不是完全理解了AQS加锁、释放锁、以及同步队列和条件队列数据流转的逻辑了。

![d8236e68bd2e5c43f072b20f67174b48.png][]

连AQS这么复杂的源码你都搞清楚了，下篇带你一块学习ReentrantLock源码，应该就轻松多了。

[7f5c37e76e2ad6caeab01b07c670ee79.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7f5c37e76e2ad6caeab01b07c670ee79.png
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