AQS分析（AbstractQueuedSynchronizer）（三）

1、AQS是什么

　　AQS同步器是Java并发编程的基础，从资源共享的角度分成独占和共享两种模式，像ReentrantLock、ThreadPoolExecutor、CountDownLatch等都是基于AQS来实现的，如图：

2、AQS同步队列的基本结构

　　AQS维护了一个头节点（head）和一个尾节点（tail）结构的双向链表，当一个线程获取锁失败时，会将该线程打包成一个Node节点，挂到同步队列尾节点

private transient volatile Node head;//同步队列头结点
private transient volatile Node tail;//同步队列尾结点
private volatile int state;//同步状态 

2.1、同步队列内部结构

2.2、获取同步状态失败，将当前线程和节点模式打包成一个节点，放入同步队列尾部

2.3、前驱节点是头节点并且获取同步状态成功，设置当前节点为头节点，并将前驱节点指针清空，方便GC回收

2.4、Node节点类（双向链表挂在同步器中）

 1 static final class Node {
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 3     static final Node SHARED = new Node();//共享模式
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 5     static final Node EXCLUSIVE = null;//独占模式
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 7     static final int CANCELLED =  1;//线程已取消
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 9     static final int SIGNAL    = -1;//后继线程需要取消挂起
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11     static final int CONDITION = -2;//线程正在等待条件
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13     static final int PROPAGATE = -3;
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15     volatile int waitStatus;
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17     volatile Node prev;//前驱结点
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19     volatile Node next;//后继结点
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21     volatile Thread thread;//当前线程
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23     Node nextWaiter;
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25     final boolean isShared() {
26         return nextWaiter == SHARED;
27     }
28     //获取前驱节点
29     final Node predecessor() throws NullPointerException {
30         Node p = prev;
31         if (p == null)
32             throw new NullPointerException();
33         else
34             return p;
35     }
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37     Node() {
38     }
39     //当前线程和节点模式
40     Node(Thread thread, Node mode) {
41         this.nextWaiter = mode;
42         this.thread = thread;
43     }
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45     Node(Thread thread, int waitStatus) {
46         this.waitStatus = waitStatus;
47         this.thread = thread;
48     }
49 }

Node分析

2.5、state同步状态（AQS重要的成员变量）

 //同步状态
 private volatile int state;
 //获取同步状态
 protected final int getState() {
     return state;
 }
 //设置同步状态
 protected final void setState(int newState) {
     state = newState;
 }
 //CAS设置同步状态
 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
     // See below for intrinsics setup to support this
     return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
 }

3、子类需重写的方法

AQS使用了模板方法设计模式，核心框架JDK已经写好，子类（自定义同步器）只需重写如下几个方法，即可实现不同的同步器：

 //用于判断当前方法是否被线程独占,独占锁需重写
 protected boolean isHeldExclusively() {
         throw new UnsupportedOperationException();
 }

 //独占式获取锁
 protected boolean tryAcquire(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
 }

 //独占式释放锁
 protected boolean tryRelease(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
 }

 //共享式获取锁
 protected int tryAcquireShared(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
 }

 //共享式释放锁
 protected int tryReleaseShared(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
 }

 4、独占模式分析

4.1、acquire独占锁获取（ReentrantLock的lock方法就是调用该方法）

1、tryAcquire（子类实现的方法，此时派上用场）

尝试获取同步状态，获取成功则直接使用

2、addWaiter

将当前线程打包成一个独占模式节点，放入同步队列的尾部

3、acquireQueued

进入等待状态，直到其他线程唤醒自己

 //获取独占锁入口方法
 public final void acquire(int arg) {
     if (!tryAcquire(arg) &&
             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
         selfInterrupt();
 }
 //放入队列
 private Node addWaiter(Node mode) {
     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
     // 快速尝试将其放入尾部节点
     Node pred = tail;
     if (pred != null) {
         node.prev = pred;
         if (compareAndSetTail(pred, node)) {
             pred.next = node;
             return node;
         }
     }
     enq(node);//循环CAS方式将节点放入队列尾部
     return node;
 }
 //入队
 private Node enq(final Node node) {
     for (; ; ) {//循环CAS添加尾部节点
         Node t = tail;
         if (t == null) { //队列为空,初始化一个空节点
             if (compareAndSetHead(new Node()))//CAS防止产生多个队列
                 tail = head;
         } else {
             node.prev = t;
             if (compareAndSetTail(t, node)) {//CAS设置尾节点
                 t.next = node;
                 return t;
             }
         }
     }
 }
 //阻塞等待
 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
     boolean failed = true;
     try {
         boolean interrupted = false;//是否被中断
         for (; ; ) {
             final Node p = node.predecessor();//获取前驱节点
             if (p == head && tryAcquire(arg)) {//前驱节点是头节点 且 自己获取到锁
                 setHead(node);//将当前节点设置为头节点
                 p.next = null; //便于GC回收以前的头节点
                 failed = false;
                 return interrupted;
             }
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//设置前驱节点状态
                     parkAndCheckInterrupt())//阻塞线程
                 interrupted = true;//被中断一次就设置为true
         }
     } finally {
         if (failed)
             cancelAcquire(node);
     }
 }
 //设置前驱节点
 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
     int ws = pred.waitStatus;//前驱节点的状态
     if (ws == Node.SIGNAL)
         return true;
     if (ws > 0) {//目的是为了剔除取消的节点
         do {
             node.prev = pred = pred.prev;
         } while (pred.waitStatus > 0);//找到一个没有被取消的节点
         pred.next = node;
     } else {
         compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);//将前驱节点设置为SIGNAL
     }
     return false;
 }
 //阻塞线程
 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
     LockSupport.park(this);//阻塞线程，直到被唤醒(发生中断或被其他线程调用unpark)
     return Thread.interrupted();//线程是否中断
 }

独占锁获取

4.2、release独占锁释放(ReentrantLock的unlock方法就是调用该方法)

1、tryRelease（子类实现的方法，自定义释放的逻辑）

尝试获取同步状态，成功则继续

2、unparkSuccessor

　　找到头节点，唤醒后继线程

 public final boolean release(int arg) {
     if (tryRelease(arg)) {
         Node h = head;//找到头节点
         if (h != null && h.waitStatus != 0)
             unparkSuccessor(h);//唤醒后继线程
         return true;
     }
     return false;
 }
 //唤醒后继线程
 private void unparkSuccessor(Node node) {
     /*
      * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
      * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
      * fails or if status is changed by waiting thread.
      */
     int ws = node.waitStatus;
     if (ws < 0)
         compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

     Node s = node.next;//获取后继节点
     if (s == null || s.waitStatus > 0) {
         s = null;
         for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
             if (t.waitStatus <= 0)
                 s = t;
     }
     if (s != null)
         LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒后继线程
 }

独占锁释放

5、共享模式分析

5.1、acquireSharedInterruptibly共享锁获取（Semaphore的acquire方法就是调用该方法）

1、线程是否中断，是则抛出异常

2、tryAcquireShared（子类实现的方法）

尝试获取资源，成功直接返回，失败进入下面流程

3、doAcquireSharedInterruptibly（和独占锁类似）

将当前线程打包成共享节点，放入同步队列并阻塞，直到被唤醒并成功获取到资源才返回

 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
         throws InterruptedException {
     if (Thread.interrupted())
         throw new InterruptedException();
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)//子类实现的方法，一般用来判断是否还有资源
         doAcquireSharedInterruptibly(arg);//放入同步队列等待
 }

 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
         throws InterruptedException {
     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//将当前线程打包成一个共享节点，放入同步队列尾部
     boolean failed = true;
     try {
         for (;;) {//自旋
             final Node p = node.predecessor();//获取前驱节点
             if (p == head) {//前驱节点是头节点
                 int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
                 if (r >= 0) {//大于0代表有资源可用
                     setHeadAndPropagate(node, r);//设置自己为head，还有剩余资源则唤醒后继线程
                     p.next = null; // help GC
                     failed = false;
                     return;
                 }
             }
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//设置前驱节点状态
                     parkAndCheckInterrupt())//阻塞线程，等待其他线程唤醒或线程被中断
                 throw new InterruptedException();
         }
     } finally {
         if (failed)
             cancelAcquire(node);
     }
 }

获取共享锁

5.2、releaseShared共享锁释放（Semaphore的release方法就是调用该方法）

 public final boolean releaseShared(int arg) {
     if (tryReleaseShared(arg)) {
         doReleaseShared();
         return true;
     }
     return false;
 }

 private void doReleaseShared() {
     for (;;) {
         Node h = head;
         if (h != null && h != tail) {
             int ws = h.waitStatus;
             if (ws == Node.SIGNAL) {
                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                     continue;            // loop to recheck cases
                 unparkSuccessor(h);//唤醒后继线程
             }
             else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                 continue;                // loop on failed CAS
         }
         if (h == head)                   // loop if head changed
             break;
     }
 }

待续...