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抽象隊(duì)列同步器(AQS-AbstractQueuedSynchronizer)

從名字上來理解:

• 抽象:是抽象類,具體由子類實(shí)現(xiàn)
• 隊(duì)列:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是隊(duì)列,使用隊(duì)列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
• 同步:基于它可以實(shí)現(xiàn)同步功能

我們就從這幾個(gè)方面來入手解讀,但首先,我們得先知道以下幾個(gè)它的特點(diǎn),以便于理解

AbstractQueuedSynchronizer特點(diǎn)

1.AQS可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖和共享鎖。

2.獨(dú)占鎖exclusive是一個(gè)悲觀鎖。保證只有一個(gè)線程經(jīng)過一個(gè)阻塞點(diǎn)，只有一個(gè)線程可以獲得鎖。

3.共享鎖shared是一個(gè)樂觀鎖?？梢栽试S多個(gè)線程阻塞點(diǎn)，可以多個(gè)線程同時(shí)獲取到鎖。它允許一個(gè)資源可以被多個(gè)讀操作，或者被一個(gè)寫操作訪問，但是兩個(gè)操作不能同時(shí)訪問。

4.AQS使用一個(gè)int類型的成員變量state來表示同步狀態(tài)，當(dāng)state>0時(shí)表示已經(jīng)獲取了鎖，當(dāng)state = 0無鎖。它提供了三個(gè)方法(getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update))來對(duì)同步狀態(tài)state進(jìn)行操作，可以確保對(duì)state的操作是安全的。

5.AQS是通過一個(gè)CLH隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的(CLH鎖即Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks，CLH鎖是一個(gè)自旋鎖，能確保無饑餓性，提供先來先服務(wù)的公平性。CLH鎖也是一種基于鏈表的可擴(kuò)展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，它不斷輪詢前驅(qū)的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)前驅(qū)釋放了鎖就結(jié)束自旋。)

抽象

我們來扒一扒源碼可以看到它繼承于AbstractOwnableSynchronizer它是一個(gè)抽象類.

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer 
    extends AbstractOwnableSynchronizer 
    implements java.io.Serializable 

AQS內(nèi)部使用了一個(gè)volatile的變量state來作為資源的標(biāo)識(shí)。同時(shí)定義了幾個(gè)獲取和改變state的protected方法，子類可以覆蓋這些方法來實(shí)現(xiàn)自己的邏輯.

可以看到類中為我們提供了幾個(gè)protected級(jí)別的方法,它們分別是:

//創(chuàng)建一個(gè)隊(duì)列同步器實(shí)例,初始state是0 
protected AbstractQueuedSynchronizer() { } 
 
//返回同步狀態(tài)的當(dāng)前值。 
protected final int getState() { 
        return state; 
} 
 
//設(shè)置同步狀態(tài)的值 
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState; 
    } 
 
//獨(dú)占方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。 
protected boolean tryAcquire(int arg) { 
        throw new UnsupportedOperationException(); 
    }     
     
     
//獨(dú)占方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。 
protected boolean tryRelease(int arg) { 
        throw new UnsupportedOperationException(); 
    } 
     
     
//共享方式。嘗試獲取資源。負(fù)數(shù)表示失?。?表示成功，但沒有剩余可用資源；正數(shù)表示成功，且有剩余資源 
protected int tryAcquireShared(int arg) { 
        throw new UnsupportedOperationException(); 
    }     
     
     
//共享方式。嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待結(jié)點(diǎn)返回true，否則返回false。 
protected boolean tryReleaseShared(int arg) { 
        throw new UnsupportedOperationException(); 
    } 
     

這些方法雖然都是protected方法，但是它們并沒有在AQS具體實(shí)現(xiàn)，而是直接拋出異常,AQS實(shí)現(xiàn)了一系列主要的邏輯 由此可知,AQS是一個(gè)抽象的用于構(gòu)建鎖和同步器的框架，使用AQS能簡單且高效地構(gòu)造出應(yīng)用廣泛的同步器，比如我們提到的ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，F(xiàn)utureTask等等皆是基于AQS的。

我們自己也能利用AQS非常輕松容易地構(gòu)造出自定義的同步器，只要子類實(shí)現(xiàn)它的幾個(gè)protected方法就可以了.

隊(duì)列

AQS類本身實(shí)現(xiàn)的是具體線程等待隊(duì)列的維護(hù)(如獲取資源失敗入隊(duì)/喚醒出隊(duì)等)。它內(nèi)部使用了一個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)的雙端隊(duì)列(CLH)，并使用了兩個(gè)指針head和tail用于標(biāo)識(shí)隊(duì)列的頭部和尾部。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖：

隊(duì)列并不是直接儲(chǔ)存線程，而是儲(chǔ)存擁有線程的Node節(jié)點(diǎn)。

我們來看看Node的結(jié)構(gòu)：

static final class Node { 
    // 標(biāo)記一個(gè)結(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)的線程）在共享模式下等待 
    static final Node SHARED = new Node(); 
    // 標(biāo)記一個(gè)結(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)的線程）在獨(dú)占模式下等待 
    static final Node EXCLUSIVE = null;  
 
    // waitStatus的值，表示該結(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)的線程）已被取消 
    static final int CANCELLED = 1;  
    // waitStatus的值，表示后繼結(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)的線程）需要被喚醒 
    static final int SIGNAL = -1; 
    // waitStatus的值，表示該結(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)的線程）在等待某一條件 
    static final int CONDITION = -2; 
     
    //waitStatus的值，表示有資源可用，新head結(jié)點(diǎn)需要繼續(xù)喚醒后繼結(jié)點(diǎn) 
    //（共享模式下，多線程并發(fā)釋放資源，而head喚醒其后繼結(jié)點(diǎn)后， 
    //需要把多出來的資源留給后面的結(jié)點(diǎn)；設(shè)置新的head結(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)繼續(xù)喚醒其后繼結(jié)點(diǎn)） 
    static final int PROPAGATE = -3; 
 
    // 等待狀態(tài)，取值范圍，-3，-2，-1，0，1 
    volatile int waitStatus; 
    volatile Node prev; // 前驅(qū)結(jié)點(diǎn) 
    volatile Node next; // 后繼結(jié)點(diǎn) 
    volatile Thread thread; // 結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線程 
    Node nextWaiter; // 等待隊(duì)列里下一個(gè)等待條件的結(jié)點(diǎn) 
 
 
    // 判斷共享模式的方法 
    final boolean isShared() { 
        return nextWaiter == SHARED; 
    } 
 
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter 
        this.nextWaiter = mode; 
        this.thread = thread; 
    } 
 
    // 其它方法忽略，可以參考具體的源碼 
} 
 
// AQS里面的addWaiter私有方法 
private Node addWaiter(Node mode) { 
    // 使用了Node的這個(gè)構(gòu)造函數(shù) 
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 
    // 其它代碼省略 
} 

過Node我們可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)隊(duì)列，一是通過prev和next實(shí)現(xiàn)CLH隊(duì)列(線程同步隊(duì)列,雙向隊(duì)列)，二是nextWaiter實(shí)現(xiàn)Condition條件上的等待線程隊(duì)列(單向隊(duì)列)，這個(gè)Condition主要用在ReentrantLock類中

同步

兩種同步方式：

• 獨(dú)占模式(Exclusive)：資源是獨(dú)占的，一次只能一個(gè)線程獲取。如ReentrantLock。
• 共享模式(Share)：同時(shí)可以被多個(gè)線程獲取，具體的資源個(gè)數(shù)可以通過參數(shù)指定。如Semaphore/CountDownLatch。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種模式的同步類，如ReadWriteLock

獲取資源

獲取資源的入口是acquire(int arg)方法。arg是要獲取的資源的個(gè)數(shù)，在獨(dú)占模式下始終為1。

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

首先調(diào)用tryAcquire(arg)嘗試去獲取資源。前面提到了這個(gè)方法是在子類具體實(shí)現(xiàn)的如果獲取資源失敗，就通過addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法把這個(gè)線程插入到等待隊(duì)列中。其中傳入的參數(shù)代表要插入的Node是獨(dú)占式的。這個(gè)方法的具體實(shí)現(xiàn)：

private Node addWaiter(Node mode) { 
    // 生成該線程對(duì)應(yīng)的Node節(jié)點(diǎn) 
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); 
    // 將Node插入隊(duì)列中 
    Node pred = tail; 
    if (pred != null) { 
        node.prev = pred; 
        // 使用CAS嘗試，如果成功就返回 
        if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
            pred.next = node; 
            return node; 
        } 
    } 
    // 如果等待隊(duì)列為空或者上述CAS失敗，再自旋CAS插入 
    enq(node); 
    return node; 
} 
 
//AQS中會(huì)存在多個(gè)線程同時(shí)爭奪資源的情況， 
//因此肯定會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)插入節(jié)點(diǎn)的操作， 
//在這里是通過CAS自旋的方式保證了操作的線程安全性。 
 
// 自旋CAS插入等待隊(duì)列 
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; 
            } 
        } 
    } 
} 

若設(shè)置成功就代表自己獲取到了鎖，返回true。狀態(tài)為0設(shè)置1的動(dòng)作在外部就有做過一次，內(nèi)部再一次做只是提升概率，而且這樣的操作相對(duì)鎖來講不占開銷。如果狀態(tài)不是0，則判定當(dāng)前線程是否為排它鎖的Owner，如果是Owner則嘗試將狀態(tài)增加acquires(也就是增加1)，如果這個(gè)狀態(tài)值越界，則會(huì)拋出異常提示，若沒有越界，將狀態(tài)設(shè)置進(jìn)去后返回true(實(shí)現(xiàn)了類似于偏向的功能，可重入，但是無需進(jìn)一步征用)。如果狀態(tài)不是0，且自身不是owner，則返回false。

現(xiàn)在通過addWaiter方法，已經(jīng)把一個(gè)Node放到等待隊(duì)列尾部了。而處于等待隊(duì)列的結(jié)點(diǎn)是從頭結(jié)點(diǎn)一個(gè)一個(gè)去獲取資源的。具體的實(shí)現(xiàn)我們來看看acquireQueued方法:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 
    boolean failed = true; 
    try { 
        boolean interrupted = false; 
        // 自旋 
        for (;;) { 
            final Node p = node.predecessor(); 
            // 如果node的前驅(qū)結(jié)點(diǎn)p是head，表示node是第二個(gè)結(jié)點(diǎn)，就可以嘗試去獲取資源了 
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                // 拿到資源后，將head指向該結(jié)點(diǎn)。 
                // 所以head所指的結(jié)點(diǎn)，就是當(dāng)前獲取到資源的那個(gè)結(jié)點(diǎn)或null。 
                setHead(node);  
                p.next = null; // help GC 
                failed = false; 
                return interrupted; 
            } 
            // 如果自己可以休息了，就進(jìn)入waiting狀態(tài)，直到被unpark() 
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 
                parkAndCheckInterrupt()) 
                interrupted = true; 
        } 
    } finally { 
        if (failed) 
            cancelAcquire(node); 
    } 
} 

這里parkAndCheckInterrupt方法內(nèi)部使用到了LockSupport.park(this)，順便簡單介紹一下park。LockSupport類是Java 6 引入的一個(gè)類，提供了基本的線程同步原語。LockSupport實(shí)際上是調(diào)用了Unsafe類里的函數(shù)，歸結(jié)到Unsafe里，只有兩個(gè)函數(shù)：park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞當(dāng)前線程 unpark(Thread jthread)：使給定的線程停止阻塞

所以結(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待隊(duì)列后，是調(diào)用park使它進(jìn)入阻塞狀態(tài)的。只有頭結(jié)點(diǎn)的線程是處于活躍狀態(tài)的。

acquire方法 獲取資源的流程:

當(dāng)然，獲取資源的方法除了acquire外，還有以下三個(gè)：

• acquireInterruptibly：申請可中斷的資源(獨(dú)占模式)
• acquireShared：申請共享模式的資源
• acquireSharedInterruptibly：申請可中斷的資源(共享模式)

可中斷的意思是，在線程中斷時(shí)可能會(huì)拋出InterruptedException

釋放資源

釋放資源相比于獲取資源來說，會(huì)簡單許多。在AQS中只有一小段實(shí)現(xiàn)。

源碼：

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

tryRelease方法 這個(gè)動(dòng)作可以認(rèn)為就是一個(gè)設(shè)置鎖狀態(tài)的操作，而且是將狀態(tài)減掉傳入的參數(shù)值(參數(shù)是1)，如果結(jié)果狀態(tài)為0，就將排它鎖的Owner設(shè)置為null，以使得其它的線程有機(jī)會(huì)進(jìn)行執(zhí)行。

在排它鎖中，加鎖的時(shí)候狀態(tài)會(huì)增加1(當(dāng)然可以自己修改這個(gè)值)，在解鎖的時(shí)候減掉1，同一個(gè)鎖，在可以重入后，可能會(huì)被疊加為2、3、4這些值，只有unlock()的次數(shù)與lock()的次數(shù)對(duì)應(yīng)才會(huì)將Owner線程設(shè)置為空，而且也只有這種情況下才會(huì)返回true。這一點(diǎn)大家寫代碼要注意，如果是在循環(huán)體中l(wèi)ock()或故意使用兩次以上的lock(),而最終只有一次unlock()，最終可能無法釋放鎖。導(dǎo)致死鎖.

private void unparkSuccessor(Node node) { 
    // 如果狀態(tài)是負(fù)數(shù)，嘗試把它設(shè)置為0 
    int ws = node.waitStatus; 
    if (ws < 0) 
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 
    // 得到頭結(jié)點(diǎn)的后繼結(jié)點(diǎn)head.next 
    Node s = node.next; 
    // 如果這個(gè)后繼結(jié)點(diǎn)為空或者狀態(tài)大于0 
    // 通過前面的定義我們知道，大于0只有一種可能，就是這個(gè)結(jié)點(diǎn)已被取消 
    if (s == null || s.waitStatus > 0) { 
        s = null; 
        // 等待隊(duì)列中所有還有用的結(jié)點(diǎn)，都向前移動(dòng) 
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) 
            if (t.waitStatus <= 0) 
                s = t; 
    } 
    // 如果后繼結(jié)點(diǎn)不為空， 
    if (s != null) 
        LockSupport.unpark(s.thread); 
} 

方法unparkSuccessor(Node)，意味著真正要釋放鎖了，它傳入的是head節(jié)點(diǎn),內(nèi)部首先會(huì)發(fā)生的動(dòng)作是獲取head節(jié)點(diǎn)的next節(jié)點(diǎn)，如果獲取到的節(jié)點(diǎn)不為空，則直接通過：“LockSupport.unpark()”方法來釋放對(duì)應(yīng)的被掛起的線程.