layout: post title: "Java并发之AQS源码分析（一）" categories: Java tags: concurrent AQS CAS
AQS 就是建立在 CAS 的基础之上，增加了大量的实现细节，例如获取同步状态、FIFO 同步队列，独占式锁和共享式锁的获取和释放等等，这些都是 AQS 类对于同步操作抽离出来的一些通用方法，这么做也是为了对实现的一个同步类屏蔽了大量的细节，大大降低了实现同步工具的工作量，这也是为什么 AQS 是其它许多同步类的基类的原因。
现在我们来直接定位到类 java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer，下面是 AQS 类的几个重要字段与方法列出来：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
// ...
}
有没有发现，这几个字段都用 volatile 关键字进行修饰，以确保多线程间保证字段的可见性。
AQS 提供了两种锁，分别是独占锁和共享锁，独占锁指的是操作被认作一种独占操作，比如 ReentrantLock，它实现了独占锁的方法，而共享锁则指的是一个非独占操作，比如一些同步工具 CountDownLatch 和 Semaphore 等同步工具，下面是 AQS 对这两种锁提供的抽象方法。
独占锁：
// 获取锁方法
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放锁方法
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
共享锁：
// 获取锁方法
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 释放锁方法
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
在我们平时开发中，基本不用直接使用 AQS，我们平时都是直接使用 JDK 自带的同步类工具，如 ReentrantLock、CountDownLatch 和 Semaphore 等，它们已经可以满足绝大部分的需求了，后面会抽几篇文章单独讲一下这些同步类工具是如何使用 AQS 的，这对于我们如何构建自定义的同步工具，有很大的帮助。
下面是同步队列节点的结构：
用大神的注释来形象地描述一下队列的模型：
/**
* <pre>
* +------+ prev +-----+ +-----+
* head | | <---- | | <---- | | tail
* +------+ +-----+ +-----+
* </pre>
*/
这是一个普通双向链表的节点结构，多了 thread 字段用于存储当前线程对象，同时每个节点都有一个 waitStatus 等待状态，一共有四种状态：
可以这么理解：head 节点可以表示成当前持有锁的线程的节点，其余线程竞争锁失败后，会加入到队尾，tail 始终指向队列的最后一个节点。
AQS 的结构大概可总结为以下 3 部分：
独占锁的原理是如果有线程获取到锁，那么其它线程只能是获取锁失败，然后进入等待队列中等待被唤醒。
获取独占锁方法：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
源码解读：
基于上面源码的步骤分析后，我们一步步往下看源码具体实现：
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创建一个基于当前线程的节点，该节点是 Node.EXCLUSIVE 独占式类型
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
// 这里先判断队尾是否为空，如果不为空则直接将节点加入队尾
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 采取 CAS 操作，将当前节点设置为队尾节点，由于采用了 CAS 原子操作，无论并发怎么修改，都有且只有一条线程可以修改成功，其余都将执行后面的enq方法
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
简单来说 addWaiter(Node mode) 方法做了以下事情：
我们继续看 enq(Node node) 方法：
private Node enq(final Node node) {
// 自旋操作
for (;;) {
Node t = tail;
// 如果队尾节点为空，那么进行CAS操作初始化队列
if (t == null) {
// 这里很关键，即如果队列为空，那么此时必须初始化队列，初始化一个空的节点表示队列头，用于表示当前正在执行的节点，头节点即表示当前正在运行的节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
// 这一步也是采取CAS操作，将当前节点加入队尾，如果失败的话，自旋继续修改直到成功为止
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq(final Node node) 方法主要做了以下事情：
对比了上面两段代码，不难看出，首先是判断队尾是否为空，先进行一次 CAS 入队操作，如果失败则进入 enq(final Node node) 方法执行完整的入队操作。
完整的入队操作简单来说就是：如果队列为空，初始化队列，并将头节点设为空节点，表示当前正在运行的节点，然后再将当前线程的节点加入到队列尾部。
关于队列的初始化与入队，务必理解透彻。
经过上面 CAS 不断尝试，这时当前节点已经成功加入到队尾了，接下来就到了acquireQueued 的逻辑，我们继续往下看源码：
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 线程中断标记字段
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取当前节点的 pred 节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果 pred 节点为 head 节点，那么再次尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 获取锁之后，那么当前节点也就成为了 head 节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
// 不需要挂起，返回 false
return interrupted;
}
// 获取锁失败，则进入挂起逻辑
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这一步 acquireQueued(final Node node, int arg) 方法主要做了以下事情：
提醒一点：我们上面也说过，head 节点代表当前持有锁的线程，那么如果当前节点的 pred 节点是 head 节点，很可能此时 head 节点已经释放锁了，所以此时需要再次尝试获取锁。
接下来继续看挂起逻辑源码：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 如果 pred 节点为 SIGNAL 状态，返回true，说明当前节点需要挂起
return true;
// 如果ws > 0,说明节点状态为CANCELLED，需要从队列中删除
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 如果是其它状态，则操作CAS统一改成SIGNAL状态
// 由于这里waitStatus的值只能是0或者PROPAGATE，所以我们将节点设置为SIGNAL，从新循环一次判断
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
这一步 shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) 方法主要做了以下事情：
通俗来说就是：根据 pred 节点状态来判断当前节点是否可以挂起，如果该方法返回 false，那么挂起条件还没准备好，就会重新进入 acquireQueued(final Node node, int arg) 的自旋体，重新进行判断。如果返回 true，那就说明当前线程可以进行挂起操作了，那么就会继续执行挂起。
这里需要注意的时候，节点的初始值为 0，因此如果获取锁失败，会尝试将节点设置为 SIGNAL。
继续看挂起逻辑：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
LockSupport 是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。LockSupport 提供 park() 和 unpark() 方法实现阻塞线程和解除线程阻塞。release 释放锁方法逻辑会调用 LockSupport.unPark 方法来唤醒后继节点。
获取独占锁流程图：
释放锁方法：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
释放锁的方法源码就很好理解，通过 tryRelease(arg) 方法尝试释放锁，这个方法需要实现类自己实现释放锁的逻辑，释放锁成功后则执行后面的唤醒后续节点的逻辑了，然后判断 head 节点不为空并且 head 节点状态不为 0，因为 addWaiter 方法默认的节点状态为 0，此时节点还没有进入就绪状态。
继续往下看源码：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 将头节点的状态设置为0
// 这里会尝试清除头节点的状态，改为初始状态
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
// 后继节点
Node s = node.next;
// 如果后继节点为null，或者已经被取消了
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// for循环从队列尾部一直往前找可以唤醒的节点
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒后继节点
LockSupport.unpark(s.thread);
}
从源码可看出：释放锁主要是将头节点的后继节点唤醒，如果后继节点不符合唤醒条件，则从队尾一直往前找，直到找到符合条件的节点为止。
这篇文章主要讲述了 AQS 的内部结构和它的同步实现原理，并从源码的角度深度剖析了 AQS 独占锁模式下的获取锁与释放锁的逻辑，并且从源码中我们得出：在独占锁模式下，用 state 值表示锁并且 0 表示无锁状态，0 -> 1 表示从无锁到有锁，仅允许一条线程持有锁，其余的线程会被包装成一个 Node 节点放到队列中进行挂起，队列中的头节点表示当前正在执行的线程，当头节点释放后会唤醒后继节点，从而印证了 AQS 的队列是一个 FIFO 同步队列。