【一知半解】AQS

什么是AbstractQueuedSynchronizer(AQS)

字面意思是抽象队列同步器，使用一个voliate修饰的int类型的同步状态，通过一个FIFO队列完成资源获取的排队工作，把每个参与资源竞争的线程封装成一个Node节点来实现锁的分配。

AbstractQueuedSynchronizer源码

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
    private transient volatile Node head;//链表头
    private transient volatile Node tail;//链表尾
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;//持有锁的线程
    private volatile int state;//同步状态,0表示当前没有线程获取到锁
    static final class Node {//链表的Node节点类
      volatile int waitStatus;//当前节点在队列中的状态
      volatile Node prev;//前置节点
      volatile Node next;//后置节点
      volatile Thread thread;//当前线程
    }
}

AQS同步队列的基本结构

Node.waitStatus的说明

状态值	描述
0	节点默认的初始值
SIGNAL=-1	线程已经准备好，等待释放资源
CANCELLED=1	获取锁的请求线程被取消
CONDITION=-2	节点在队列中，等待唤醒

state为什么要用volatile修饰？

1. 可见性，一个线程对变量的修改可以立即被别的线程感知到
2. 有序性，禁止指令重排

AQS获取锁步骤

  public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
          acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }

1. 当一个线程获取锁时，首先判断state状态值是否为0
2. 如果state==0，则通过CAS的方式修改为非0状态
3. 修改成功，则表明获取锁成功，执行业务代码
4. 修改失败，则把当前线程封装为一个Node节点，加入到队列中并挂起当前线程
5. 如果state!=0,则把当前线程封装为一个Node节点，加入到队列中并挂起当前线程

AQS获取锁过程

首先调用tryAcquire去修state的状态值，成功就获取当前锁；失败则加入当前等待队列中，然后挂起线程。

tryAcquire

在AQS的源码中tryAcquire是一空实现,需要它的子类去实现这个空方法。因为在AQS中虽然公平锁和非公平锁的都是基于一个CLH去实现，但是在获取锁的过程中略有不同。

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

公平锁FairSync#tryAcquire

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            //获取当前线程
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();//获取同步器的状态
            if (c == 0) {//当前没有线程获取到锁
                //首先判断祖宗节点的线程是否当前线程一样
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    //更改state的状态值为非0
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //如果锁持有者的线程是当前线程，则可放行，锁的重入
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
/**
* 判断祖宗节点的线程是否当前线程一样
* 傀儡节点的下个节点
*/
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail;
    Node h = head;
    Node s;
    //头节点的下个节点所持有的线程是否与当前线程相同
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

非公平锁NonfairSync#tryAcquire

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        //通过CAS更改state的状态值
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            //把当前线程设置为锁的持有者
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //如果锁持有者的线程是当前线程，则可放行，锁的重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

对比后发现，公平锁先判断是否有老祖宗节点，如果有则返回false；如果当前线程对应的node就是老祖宗节点，则直接去修改state状态，把state改为非0。

addWaiter

获取锁成功的线程去执行业务逻辑了，获取锁失败的线程则会在队列中排队等候，每个等候的线程也都不安分的。

private Node addWaiter(Node mode) {
    //把当前线程封装为一个Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //加入到队列的尾部
    enq(node);
    return node;
}

1. 把当前线程封装为一个Node节点
2. 当第一次执行这个方法时，由于head和tail都还没有赋值，则pred指向的tail也是空，所以直接直到enq(node)
3. 当pred指向的tail不为空时，则通过CAS的方式加入到尾部，如果成功直接返回；如果失败，则进入enq(node)通过自旋的方式加入。

//通过自旋的方式将节点加入到节点的尾部
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

为了操作链表的方便，一般都要在链表的头前加入一个傀儡节点，AQS的链表也不例外。

先创建一个傀儡节点，并把head、tail均指向它，然后再把node节点加入到尾部后面，移动tail的指向。

acquireQueued

当节点成功加入到链表的尾部后，等待被唤醒，然后通过自旋的方式去获取锁

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //当前节点的前置节点
            final Node p = node.predecessor();
            //如果前置节点是傀儡节点(head指向傀儡节点),则再次尝试去获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //获取成功后，则移除之前的傀儡节点，head指向当前node,
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //获取锁失败后，设置node节点的状态，并挂起当前节点
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

1. 获取node节点的前置节点，如果前置节点是head，则再次尝试去获取锁
2. 设置当前node节点的前置节点状态为-1(表示后续节点正在等待状态，默认是0)，然后通过自旋的后会进行到parkAndCheckInterrupt挂起当前节点
3. LockSupport.park(this)执行完事，当前线程会一直阻塞到这个地方
4. 当前唤醒时再次从1开始执行

AQS释放锁过程

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

主要是恢复state的值、重置锁持有都线程，然后唤醒挂起的线程。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    //当前线程与锁持有者线程不一样会报错
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {//重入的次数为0时，则当前线程已经没有重入了，可以清空锁的持有者
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

恢复state状态的值，如果重入次数为0时，则清空锁的持有都为null

private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        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)//唤醒下个node对应的线程
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

设置head指向的node节点的watiStatus的状态值，然后找到下个节点对应的线程并唤醒。