Java并发编程(2) AbstractQueuedSynchronizer的内部结构

一 前言　　

　　虽然已经有很多前辈已经分析过AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS，也叫队列同步器）类，但是感觉那些点始终是别人的，看一遍甚至几遍终不会印象深刻。所以还是记录下来印象更深刻，还能和大家一起探讨（这就是重复造轮子的好处，另外也主要是这篇篇幅太长了，犹豫了好久才决定写作）。既然有很多前辈都分析过这个类说明它是多么的重要，下面我们看下concurrent包的实现示意图就清楚AQS的所占有的地位了。

二 什么是AQS

　　AbstractQueuedSynchronizer，中文简称队列同步器，英文简称AQS。它是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。从上面图可以看出AQS是实现锁或任意同步组件的关键，通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态等。

三 AQS的内部结构

　　个人习惯喜欢先看其内部结构，因为内部结果是一个类实现的核心。经过分析得知：AQS类底层的数据结构是使用双向链表，包括head结点和tail结点，head结点主要用作后续的调度。另外还包含一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单向链表。并且可能会有多个Condition 链表（其中链表是队列的一种具体表现，所以也可称作队列）。如下图：

四 内部结构源码解析

3.1 类的继承关系

　　

　　1、说明它是一个抽象类，就说明它可能存在抽象方法需要子类去重写实现（具体有哪些方法需要重写后续会说明）。

　　2、它还继承了AbstractOwnableSynchronizer(简称AOS)类可以设置独占资源线程和获取独占资源线程（独占锁会涉及到，AOS的源码自己可以进去看看）。

　　另外建议各位多看看类上的注释，其实还蛮有作用的。

3.2 类的内部类

　　先分析内部类中的结构再看AQS是怎么引用它的。下面先看Node.class，主要分析都在注释上了。

/**
 * Wait queue node class.
 * 注意看类上的注释，上面是原注释的第一行，表示等待队列节点类（虽然实际上是一个双向链表）。
 */
static final class Node {
    /**
     * 总共分为两者模式：共享和独占
     */
    /** 在共享模式中等待的节点 */
    static final Node SHARED = new Node();
    /** 在独占模式中等待的节点 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 下面几个表示节点状态，也就是waitStatus所具有可能的值。
     */
    /**
     * 标记线程处于取消状态
     * 节点进入该状态就不会变化。
     * /
    static final int CANCELLED =  1;
    /**
     * 标记后继节点的线程处于等待状态，需要被取消停放（即被唤醒unpark）。
     * 变化情况：当当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行。
     */
    static final int SIGNAL    = -1;
    /**
     * 标记线程正在等待条件（Condition）,也就是该节点处于等待队列中。
     * 变化情况：当其他线程对Condition调用了signal()方法后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中。
     */
    static final int CONDITION = -2;
    /**
     * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件的被传播下去。
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    /**
     * 节点状态，包含上面四种状态（另外还有一种初始化状态0）
     * 特别注意：它是volatile关键字修饰的，保证对其线程可见性，但是不保证原子性。
     * 所以更新状态时，采用CAS方式去更新, 如：compareAndSetWaitStatus
     */
    volatile int waitStatus;

    /**
     * 前驱节点，比如当前节点被取消，那就需要前驱节点和后继节点来完成连接。
     */
    volatile Node prev;

    /**
     * 后继节点。
     */
    volatile Node next;

    /**
     * 入队列时的当前线程。
     */
    volatile Thread thread;

    /**
     * 存储condition队列中的后继节点。
     */
    Node nextWaiter;

    /**
     * 判断是否共享模式
     */
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    /**
     * 获取前置节点，如果前置节点为空就抛出异常
     */
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
    // 省略三个构造函数
}

　　总结下：当每个线程被阻塞时都会封装成一个Node节点，放入队列中。每个节点都包含了当前节点对应的线程、状态、前置节点引用、后继节点引用以及下一个等待者。

　　其中还需要注意的是waitStatus对应的各个状态代表着什么意思，另外不清楚volatile关键字作用的请前去阅读下。

属性名称	描述
int waitStatus	表示节点的状态。其中包含的状态有： CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；节点进入该状态就不会变化。 SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark； 变化情况：当当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点， 使后继节点的线程得以运行。 CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中； 变化情况：当其他线程对Condition调用了signal()方法后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中， 加入到同步状态的获取中。 PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行； 初始状态：值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
Node prev	前驱节点，比如当前节点被取消，那就需要前驱节点和后继节点来完成连接。
Node next	后继节点。
Thread thread	入队列时的当前线程。
Node nextWaiter	存储condition队列中的后继节点。

　　接下来简单看看ConditionObject的源码，后续我们会单独分析下这个类的作用。

/**
 * 实现Condition接口
 */
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /**
     * 条件队列的第一个节点。
     */
    private transient AbstractQueuedSynchronizer.Node firstWaiter;
    /**
     * 条件队列的最后一个节点。
     */
    private transient AbstractQueuedSynchronizer.Node lastWaiter;
}

　　从中可以看它还是实现了Condition接口，而Condition接口又定义了什么规范呢？自己去看：），你会不会发现有点跟Object中的几个方法类似呢。

3.3 主要内部成员

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

五 总结

　　通过上述分析就很清楚其内部结构是什么了吧。总结下：

　　节点(Node)是成为sync队列和condition队列构建的基础，在同步器中就包含了sync队列（Node双向链表）。同步器拥有三个成员变量：sync队列的头结点head、sync队列的尾节点tail和状态state。对于锁的获取，请求形成节点，将其挂载在尾部，而锁资源的转移（释放再获取）是从头部开始向后进行。对于同步器维护的状态state，多个线程对其的获取将会产生一个链式的结构。