前言
java.util.concurrent包（之后簡稱JUC包）中，提供了大量的同步與并發(fā)的工具類，是多線程編程的“利器”。其中l(wèi)ocks包下，包含了多種鎖，如ReentrantLock獨占鎖、ReentrantReadWriteLock讀寫鎖、Semaphore信號量（共享鎖）等，而這些鎖有一個共同的基礎類：AbstractQueuedSynchronizer。
原文地址：http://www.wangjialong.cc/2018/04/06/aqs_info/#more
AQS簡介
AQS是一個抽象類，不可以被實例化，它的設計之初就是為了讓子類通過繼承來實現(xiàn)多樣的功能的。它內(nèi)部提供了一個FIFO的等待隊列，用于多個線程等待一個事件（鎖）。它有一個重要的狀態(tài)標志——state，該屬性是一個int值，表示對象的當前狀態(tài)（如0表示lock，1表示unlock）。AQS提供了三個protected final的方法來改變state的值，分別是：getState、setState(int)、compareAndSetState(int, int)。根據(jù)修飾符，它們是不可以被子類重寫的，但可以在子類中進行調(diào)用，這也就意味著子類可以根據(jù)自己的邏輯來決定如何使用state值。
/ 同一類中 同一包中 同包內(nèi)的子類 不同包內(nèi)的子類 全局 public + + + + + protected + + + + default（無修飾符） + + + private + java的修飾符作用域如下：
/ 同一類中 同一包中 同包內(nèi)的子類 不同包內(nèi)的子類 全局 public + + + + + protected + + + + default（無修飾符） + + + private + 表中 + 表示可以訪問， 空白表示無法訪問
AQS的子類應當被定義為內(nèi)部類，作為內(nèi)部的helper對象。事實上，這也是juc種鎖的做法，如ReentrantLock，便是通過內(nèi)部的Sync對象來繼承AQS的。AQS中定義了一些未實現(xiàn)的方法（拋出UnsupportedOperationException異常）
- tryAcquire(int) 嘗試獲取state
- tryRelease(int) 嘗試釋放state
- tryAcquireShared(int) 共享的方式嘗試獲取
- tryReleaseShared(int) 共享的方式嘗試釋放
- isHeldExclusively() 判斷當前是否為獨占鎖
這些方法是子類需要實現(xiàn)的，可以選擇實現(xiàn)其中的一部分。根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，可以分為兩種：獨占鎖和共享鎖。其中JUC中鎖的分類為:
- 獨占鎖：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock
- 共享鎖：ReentrantReadWriteLock.ReadLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore
其實現(xiàn)方式為：
- 獨占鎖實現(xiàn)的是tryAcquire(int)、tryRelease(int)
- 共享鎖實現(xiàn)的是tryAcquireShared(int)、tryReleaseShared(int)
如獨占鎖的實現(xiàn)方式是：
Acquire:
while (!tryAcquire(arg)) {
//將當前線程加入FIFO隊列中;
//自旋或阻塞當前線程;
}
Release:
if (tryRelease(arg))
//喚醒隊列中的第一個線程(head);
AQS中還提供了一個內(nèi)部類ConditionObject，它實現(xiàn)了Condition接口，可以用于await/signal。采用CLH隊列的算法，喚醒當前線程的下一個節(jié)點對應的線程，而signalAll喚醒所有線程。
總的來說，AQS提供了三個功能：
- 實現(xiàn)獨占鎖
- 實現(xiàn)共享鎖
- 實現(xiàn)Condition模型
源碼解析
Node解析
AQS內(nèi)部定義了一個static final的內(nèi)部類Node，用于實現(xiàn)等待隊列CLH，滿足FIFO結構，其隊列結構如下所示：
<pre>
+------+ prev +-----+ +-----+
head | | <---- | | <---- | | tail
| | ----> | | ----> | |
+------+ next +-----+ +-----+
</pre>
隊列為一個雙向鏈表結構，保存了head、tail兩個指針，分別指向鏈表頭部、尾部。當需要添加節(jié)點時，直接在tail位置添加，而dequeue操作直接對head節(jié)點進行。Node中定義如下常量：
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
static final int PROPAGATE = -3;
以上常量分別用于設置如下屬性的值：
volatile int waitStatus;
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
Node類型的常量SHARED、EXCLUSIVE用于設置nextWaiter，用于表示當前節(jié)點是共享的，還是互斥的，分別用于共享鎖和獨占鎖。int類型的常量CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE用于設置waitStatus，用于在ConditionObject中使用，可以實現(xiàn)await/signal模型。
Node有三個構造函數(shù)：
//不存放任何線程，用于生成哨兵節(jié)點
Node() ;
//用于鎖
Node(Thread thread, Node mode) ;
//用于Condition
Node(Thread thread, int waitStatus) ;
AQS屬性
AQS使用內(nèi)部類Node，構造一個雙向鏈表，用作FIFO隊列；除此之外，AQS還存放一個int類型的屬性state，用于表示當前的同步狀態(tài)。
//鏈表頭節(jié)點
private transient volatile Node head;
//鏈表尾節(jié)點
private transient volatile Node tail;
//同步狀態(tài)
private volatile int state;
head節(jié)點是一個哨兵節(jié)點，不存放實際的“線程”節(jié)點（使用Node的無參構造函數(shù)）。tail指向鏈表的最后一個節(jié)點，當新增節(jié)點時，將新節(jié)點作為當前tail的下一個節(jié)點，通過CAS設置成功后,將新節(jié)點設為新的tail節(jié)點即可。新增節(jié)點的源碼如下：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { //死循環(huán)
Node t = tail;
if (t == null) { // 空鏈表，head、tail都為空
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq操作是一個無限循環(huán)的操作，最終總會成功，但根據(jù)代碼可知，AQS應不是starvation free的，因為某個線程可能會持續(xù)的enq失敗。AQS提供了形如doAcquireNanos方法，但其超時返回false操作是在addWaiter方法(內(nèi)部調(diào)用enq)之后，也無法回避enq的starvation。在此順便說一下，AQS也是無法保證fair的，也就是說先入隊列的線程不一定先獲取到鎖。節(jié)點的CAS是通過Unsafe來實現(xiàn)的，在state中統(tǒng)一說明。
state表示AQS當前的同步狀態(tài)，如0表示lock，1表示unlock狀態(tài)。對state的操作，提供了三個方法。
//讀取當前state
protected final int getState() {
return state;
}
//直接寫入，不考慮當前值
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
//保證讀-寫的原子性
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
可以看到compareAndSetState使用的是unsafe對象的compareAndSwapInt方法，傳入this指針，state屬性的偏移地址，期待值expect，更新值update，可以實現(xiàn)CAS操作。state屬性的偏移地址獲取方式如下：
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;
static {
try {
stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
實際上，AQS的head、tail節(jié)點，內(nèi)部類Node的waitStatus、next屬性均使用unsafe對象，通過偏移地址來進行CAS操作。Unsafe是sun.misc包下的類，在Java API中沒有官方文檔，因為它是用于實現(xiàn)Java庫的，Java中有一個功能類似的類，可以實現(xiàn)對象屬性的CAS操作，可以參考我的另一篇博客AtomicXFieldUpdater，屬性原子修改的外部工具類，關于Unsafe的使用，可以參考Guide to Unsafe。
AQS還有一個屬性static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;，用于表示自旋的時間，小于1000納秒的采用自旋鎖，大于1000納秒，使用LockSupport.park方法，將線程掛起。
重要方法分析
AQS是用于實現(xiàn)獨占鎖或共享鎖的，對于一個鎖來說，最重要的就是lock和unlock操作了，對應到AQS中，為acquire、release方法，由于AQS需要和子類進行“合作”，因此需要子類的定義來進行聯(lián)合分析，為簡單起見，使用AQS官方文檔中的示例，定義獨占鎖如下：
class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
// Our internal helper class
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// Reports whether in locked state
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
// Acquires the lock if state is zero
public boolean tryAcquire(int acquires) {
assert acquires == 1; // Otherwise unused
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
// Releases the lock by setting state to zero
protected boolean tryRelease(int releases) {
assert releases == 1; // Otherwise unused
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
// Provides a Condition
Condition newCondition() { return new ConditionObject(); }
// Deserializes properly
private void readObject(ObjectInputStream s)
throws IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
// The sync object does all the hard work. We just forward to it.
private final Sync sync = new Sync();
public void lock() { sync.acquire(1); }
public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); }
public void unlock() { sync.release(1); }
public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); }
public boolean isLocked() { return sync.isHeldExclusively(); }
public boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); }
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
}
可以看到，lock方法調(diào)用內(nèi)部類的acquire方法，也就是AQS的acquire方法。unlock方法調(diào)用release方法。
下面對兩個流程進行分析
acquire
acquire是獨占鎖的獲取鎖的方法，其源碼如下：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
acquire方法非常簡單，如果tryAcquire失敗（返回false），則調(diào)用acquireQueued方法，將當前線程加入到等待隊列中，并中斷當前線程，等待喚醒。
tryAcquire由子類實現(xiàn)，下面先分析acquireQueued方法。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
//若當前節(jié)點為鏈表第一個節(jié)點
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//park當前線程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued在addWaiter之后，再次嘗試獲取鎖，與tryAcquire不同的是，返回true表示未獲取成功，false表示獲取成功。通過判斷當前節(jié)點是否為隊列第一個節(jié)點，來決定是否獲取成功，acquireQueued方法相當于提供了一個默認方法，會被子類的tryAcquire方法屏蔽掉（若tryAcquire返回true的話）。
tryAcquire會調(diào)用子類Mutex.Sync的實現(xiàn)，其代碼如下：
// 如果state為0，則獲取到鎖
public boolean tryAcquire(int acquires) {
assert acquires == 1; // Otherwise unused
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
由此可見,AQS提供了一個模板，子類需要實現(xiàn)其tryAcquire方法，實現(xiàn)具體的獲取鎖邏輯（通過對state的讀、寫），子類lock方法直接調(diào)用AQS的acquire方法即可。
release方法
Mutex的unlock方法調(diào)用了release方法，在AQS中定義，源碼如下：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
還是同樣的配方，release方法調(diào)用子類實現(xiàn)的tryRelease，返回true后，表示獲取成功，之后判斷頭節(jié)點，由于鎖的實現(xiàn)中，waitStatus必定為0，所以不會執(zhí)行unpark操作，unpark用于Condition模型中。tryRelease方法的源碼如下：
// 將state設置為0，解鎖
protected boolean tryRelease(int releases) {
assert releases == 1; // Otherwise unused
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
由源碼可知，tryRelease只需要將state設置為0即可，因為調(diào)用unlock方法的必定是之前調(diào)用lock成功的，因此當前state必定為1，為安全起見，使用getState判斷是否為0，若為0，說明線程出錯。state設置時，不需要調(diào)用CAS方法，只需要setState即可，保證write對于其他線程可見即可（通過volatile內(nèi)存屏障保證）。
總結
AQS提供了一個框架，在其上可以構建豐富的線程同步工具類，JUC包中ReadWriteLock、CountDownLatch都是基于AQS實現(xiàn)的，AQS在JUC包中的地位相當重要。其類圖如下：
盜圖使用,詳見“JUC鎖”01之 框架
AQS提供了三大功能：獨占鎖、共享鎖、ConditionObject。子類在實現(xiàn)中，可以實現(xiàn)其一部分方法。其編程思想值得借鑒，通過超類實現(xiàn)基本的處理流程，將其中部分抽成未實現(xiàn)方法，默認拋出異常，由子類實現(xiàn)，這種解耦方式，最大化的減少了代碼的重復，且便于子類在實現(xiàn)中個性化自己的處理邏輯。
很久沒寫博客了，準備以AQS入手，深入分析一下JUC包，flag就這么立起來了，希望可以實現(xiàn)吧~~
