我們常見(jiàn)的并發(fā)鎖ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS實(shí)現(xiàn)的，所以說(shuō)不懂AQS實(shí)現(xiàn)原理的，就不能說(shuō)了解Java鎖。
上篇文章講了AQS的加鎖流程，這篇文章再一塊看一下AQS具體源碼實(shí)現(xiàn)。
先回顧一下AQS的加鎖流程
1. AQS加鎖流程
AQS的加鎖流程并不復(fù)雜，只要理解了同步隊(duì)列和條件隊(duì)列，以及它們之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，就算徹底理解了AQS。
當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)AQS鎖時(shí)，如果有個(gè)線程獲取到鎖，就把ower線程設(shè)置為自己
沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)到鎖的線程，在同步隊(duì)列中阻塞（同步隊(duì)列采用雙向鏈表，尾插法）。
持有鎖的線程調(diào)用await方法，釋放鎖，追加到條件隊(duì)列的末尾（條件隊(duì)列采用單鏈表，尾插法）。
持有鎖的線程調(diào)用signal方法，喚醒條件隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列的末尾。
同步隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)優(yōu)先獲取到鎖
了解AQS加鎖流程之后，再去看源碼就容易理解了。
2. AQS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
// 繼承自AbstractOwnableSynchronizer，為了記錄哪個(gè)線程占用鎖
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
// 同步狀態(tài)，0表示無(wú)鎖，每次加鎖+1，釋放鎖-1
private volatile int state;
// 同步隊(duì)列的頭尾節(jié)點(diǎn)
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
// Node節(jié)點(diǎn)，用來(lái)包裝線程，放到隊(duì)列中
static final class Node {
// 節(jié)點(diǎn)中的線程
volatile Thread thread;
// 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)
volatile int waitStatus;
// 同步隊(duì)列的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)
volatile Node prev;
volatile Node next;
// 條件隊(duì)列的后繼節(jié)點(diǎn)
Node nextWaiter;
}
// 條件隊(duì)列
public class ConditionObject implements Condition {
// 條件隊(duì)列的頭尾節(jié)點(diǎn)
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
}
}
首先AQS繼承自AbstractOwnableSynchronizer，其實(shí)是為了記錄哪個(gè)線程正在占用鎖。
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
// 設(shè)置占用鎖的線程
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread){
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread(){
return exclusiveOwnerThread;
}
}無(wú)論是同步隊(duì)列還是條件隊(duì)列中線程都需要包裝成Node節(jié)點(diǎn)。
雖然同步隊(duì)列和條件隊(duì)列都是由Node節(jié)點(diǎn)組成的，但是同步隊(duì)列中是使用prev和next組成雙向鏈表，nextWaiter只用來(lái)表示是共享模式還是排他模式。
條件隊(duì)列沒(méi)有使用到Node中prev和next屬性，而是使用nextWaiter組成單鏈表。
這個(gè)復(fù)用對(duì)象的設(shè)計(jì)思想值得我們學(xué)習(xí)。
同步隊(duì)列head節(jié)點(diǎn)是個(gè)啞節(jié)點(diǎn)，里面并沒(méi)有存儲(chǔ)線程對(duì)象。當(dāng)然head節(jié)點(diǎn)也可以看成是給當(dāng)前持有鎖的線程使用的。
Node節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)（waitStatus）共有5種：
- 1 cancelled：表示線程已經(jīng)被取消
- 0 初始化：Node節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)值
- -1 signal: 表示節(jié)點(diǎn)線程在釋放鎖后要喚醒同步隊(duì)列中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)線程
- -2 condition: 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在條件隊(duì)列中
- -3 propagate: 釋放共享資源的時(shí)候會(huì)向后傳播釋放其他共享節(jié)點(diǎn)(用于共享模式)
3. AQS方法概覽
AQS支持獨(dú)占和共享兩種訪問(wèn)資源的模式（獨(dú)占模式又叫排他模式）。
獨(dú)占模式的方法：
// 加鎖
acquire();
// 加可中斷的鎖
acquireInterruptibly();
// 一段時(shí)間內(nèi)，加鎖不成功，就不加了
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 釋放鎖
release();
共享模式的方法：
// 加鎖
acquireShared();
// 加可中斷的鎖
acquireSharedInterruptibly();
// 一段時(shí)間內(nèi)，加鎖不成功，就不加了
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 釋放鎖
releaseShared();
獨(dú)占模式和共享模式的方法并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)具體的加鎖、釋放鎖邏輯，AQS中只是定義了加鎖、釋放鎖的抽象方法。
留給子類實(shí)現(xiàn)的抽象方法：
// 加獨(dú)占鎖
protected boolean tryAcquire(int arg){
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放獨(dú)占鎖
protected boolean tryRelease(int arg){
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 加共享鎖
protected int tryAcquireShared(int arg){
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放共享鎖
protected boolean tryReleaseShared(int arg){
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 判斷是否是當(dāng)前線程正在持有鎖
protected boolean isHeldExclusively(){
throw new UnsupportedOperationException();
}
這里就用到了設(shè)計(jì)模式中的模板模式，父類AQS定義了加鎖、釋放鎖的流程，子類ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的加鎖、釋放鎖邏輯。
這不是個(gè)面試知識(shí)點(diǎn)嗎？
面試官再問(wèn)你，你看過(guò)哪些框架源碼使用到了設(shè)計(jì)模式？
你就可以回答AQS源碼中用到了模板模式，巴拉巴拉，妥妥的加分項(xiàng)！
4. AQS源碼剖析
整個(gè)加鎖流程如下：
先看一下加鎖方法的源碼：
4.1 加鎖
// 加鎖方法，傳參是1
public final void acquire(int arg){
// 1. 首先嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則設(shè)置state+1，exclusiveOwnerThread=currentThread（留給子類實(shí)現(xiàn)）
if (!tryAcquire(arg) &&
// 2. 如果沒(méi)有獲取成功，把線程組裝成Node節(jié)點(diǎn)，追加到同步隊(duì)列末尾
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
// 3. 加入同步隊(duì)列后，將自己掛起
selfInterrupt();
}
}
再看一下addWaiter方法源碼，作用就是把線程組裝成Node節(jié)點(diǎn)，追加到同步隊(duì)列末尾。
// 追加到同步隊(duì)列末尾，傳參是共享模式or排他模式
private Node addWaiter(Node mode){
// 1. 組裝成Node節(jié)點(diǎn)
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
// 2. 在多線程競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情況下，通過(guò)CAS方法追加到同步隊(duì)列末尾
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 3. 在多線程競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，使用死循環(huán)保證追加到同步隊(duì)列末尾
enq(node);
return node;
}
// 創(chuàng)建Node節(jié)點(diǎn)，傳參是線程，共享模式or排他模式
Node(Thread thread, Node mode) {
this.thread = thread;
this.nextWaiter = mode;
}
// 通過(guò)死循環(huán)的方式，追加到同步隊(duì)列末尾
private Node enq(final Node node){
for (; ; ) {
Node t = tail;
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
再看一下addWaiter方法外層的acquireQueued方法，作用就是：
在追加到同步隊(duì)列末尾后，再判斷一下前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是不是頭節(jié)點(diǎn)。如果是，說(shuō)明是第一個(gè)加入同步隊(duì)列的，就再去嘗試獲取鎖。
如果獲取鎖成功，就把自己設(shè)置成頭節(jié)點(diǎn)。
如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)不是頭節(jié)點(diǎn)，或者獲取鎖失敗，就逆序遍歷同步隊(duì)列，找到可以將自己?jiǎn)拘训墓?jié)點(diǎn)。
最后才放心地將自己掛起
// 追加到同步隊(duì)列末尾后，再次嘗試獲取鎖
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg){
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (; ; ) {
// 1. 找到前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
final Node p = node.predecessor();
// 2. 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是頭結(jié)點(diǎn)，就再次嘗試獲取鎖
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 3. 獲取鎖成功后，把自己設(shè)置為頭節(jié)點(diǎn)
setHead(node);
p.next = null;
failed = false;
return interrupted;
}
// 4. 如果還是沒(méi)有獲取到鎖，找到可以將自己?jiǎn)拘训墓?jié)點(diǎn)
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// 5. 最后才放心地將自己掛起
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法，是怎么找到將自己?jiǎn)拘训墓?jié)點(diǎn)的？為什么要找這個(gè)節(jié)點(diǎn)？
// 加入同步隊(duì)列后，找到能將自己?jiǎn)拘训墓?jié)點(diǎn)
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node){
int ws = pred.waitStatus;
// 1. 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)已經(jīng)是SIGNAL狀態(tài)（釋放鎖后，需要喚醒后繼節(jié)點(diǎn)），就無(wú)需操作了
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 2. 如果前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是已取消，就繼續(xù)向前遍歷
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 3. 找到了不是取消狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，把該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)置成SIGNAL
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
從代碼中可以很清楚的看到，目的就是為了找到不是取消狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，并把該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置成SIGNAL。
狀態(tài)是SIGNAL的節(jié)點(diǎn)，釋放鎖后，需要喚醒其后繼節(jié)點(diǎn)。
簡(jiǎn)單理解就是：小弟初來(lái)乍到，特意來(lái)知會(huì)老大一聲，有好事，多通知小弟。
再看一下釋放鎖的邏輯。
4.2 釋放鎖
釋放鎖的流程如下：
釋放鎖的代碼邏輯比較簡(jiǎn)單：
// 釋放鎖
public final boolean release(int arg){
// 1. 先嘗試釋放鎖，如果時(shí)候成功，則設(shè)置state-1，exclusiveOwnerThread=null（由子類實(shí)現(xiàn)）
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 2. 如果同步隊(duì)列中還有其他節(jié)點(diǎn)，就喚醒下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
if (h != null && h.waitStatus != 0)
// 3. 喚醒其后繼節(jié)點(diǎn)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
再看一下喚醒后繼節(jié)點(diǎn)的方法
// 喚醒后繼節(jié)點(diǎn)
private void unparkSuccessor(Node node){
int ws = node.waitStatus;
// 1. 如果頭節(jié)點(diǎn)不是取消狀態(tài)，就重置成初始狀態(tài)
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 2. 如果后繼節(jié)點(diǎn)是null或者是取消狀態(tài)
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 3. 從隊(duì)尾開(kāi)始遍歷，找到一個(gè)有效狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 3. 喚醒這個(gè)有效節(jié)點(diǎn)
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
4.3 await等待
await等待的流程：
持有鎖的線程可以調(diào)用await方法，作用是：釋放鎖，并追加到條件隊(duì)列末尾。
// 等待方法
public final void await() throws InterruptedException {
// 如果線程已中斷，則中斷
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 1. 追加到條件隊(duì)列末尾
Node node = addConditionWaiter();
// 2. 釋放鎖
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
// 3. 有可能剛加入條件隊(duì)列就被轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列了，如果還在條件隊(duì)列，就可以放心地掛起自己
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 4. 如果已經(jīng)轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列，就嘗試獲取鎖
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
// 5. 清除條件隊(duì)列中已取消的節(jié)點(diǎn)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
再看一下addConditionWaiter方法，是怎么追加到條件隊(duì)列末尾的？
// 追加到條件隊(duì)列末尾
private Node addConditionWaiter(){
Node t = lastWaiter;
// 1. 清除已取消的節(jié)點(diǎn)，找到有效節(jié)點(diǎn)
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// 2. 創(chuàng)建Node節(jié)點(diǎn)，狀態(tài)是-2（表示處于條件隊(duì)列）
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
// 3. 追加到條件隊(duì)列末尾
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}
4.4 signal喚醒
signal喚醒的流程：
喚醒條件隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)，并追加到同步隊(duì)列末尾。
// 喚醒條件隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)
public final void signal(){
// 1. 只有持有鎖的線程才能調(diào)用signal方法
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 2. 找到條件隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
// 3. 開(kāi)始喚醒
doSignal(first);
}
// 實(shí)際的喚醒方法
private void doSignal(Node first){
do {
// 4. 從條件隊(duì)列中移除頭節(jié)點(diǎn)
if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
// 5. 使用死循環(huán)，一定要轉(zhuǎn)移一個(gè)節(jié)點(diǎn)到同步隊(duì)列
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
到底是怎么轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列末尾的？
// 實(shí)際轉(zhuǎn)移方法
final boolean transferForSignal(Node node){
// 1. 把節(jié)點(diǎn)狀態(tài)從CONDITION改成0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
// 2. 使用死循環(huán)的方式，追加到同步隊(duì)列末尾（前面已經(jīng)講過(guò)）
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// 3. 把前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)置SIGNAL（通知他，別忘了喚醒老弟）
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
5. 總結(jié)
看完整個(gè)AQS的源碼，是不是完全理解了AQS加鎖、釋放鎖、以及同步隊(duì)列和條件隊(duì)列數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的邏輯了。
連AQS這么復(fù)雜的源碼你都搞清楚了，下篇帶你一塊學(xué)習(xí)ReentrantLock源碼，應(yīng)該就輕松多了。
