Java并发之AQS原理剖析 - 15张图理解Java AQS - 《Java 笔记》

管程模型
获取独占锁
释放独占锁
获取共享锁
- 共享，忽略interrupts
释放共享锁
抽象方法
总结

Java AQS
Java中AQS是AbstractQueuedSynchronizer类，AQS依赖FIFO队列来提供一个框架，这个框架用于实现锁以及锁相关的同步器，比如信号量、事件等。
在AQS中，主要有两部分功能，一部分是操作state变量，第二部分是实现排队和阻塞机制。
注意，AQS并没有实现任何同步接口，它只是提供了类似acquireInterruptible的方法，调用这些方法可以实现锁和同步器。

管程模型

Java使用MESA管程模型来管理类的成员变量和方法，让这个类的成员变量和方法的操作是线程安全的。下图是MESA管程模型，里面除了定义共享变量外，还定义了条件变量和条件变量等待队列：

Java中的MESA模型有一点改进，就是管程内部只有一个条件变量和一个等待队列。下图是AQS的管程模型：

AQS的管程模型依赖AQS中的FIFO队列实现入口等待队列，而ConditionObject则实现了条件队列，这个队列可以创建多个。本文主要讲解入口等待队列获取锁的几种方式。

获取独占锁

独占, 忽略`interrupts`

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

这里的tryAcquire是抽象方法，有AQS的子类来实现，因为每个子类实现的锁是不一样的。

入队

上面的代码可以看到，获取锁失败后，会先执行addWaiter方法加入队列，然后执行acquireQueued方法自旋地获取锁直到成功。
addWaiter代码逻辑如下图，简单说就是把node入队，入队后返回node参数给acquireQueued方法：

这里有一个点需要注意，如果队列为空，则新建一个Node作为队头。

入队后获取锁

acquireQueued自旋获取锁逻辑如下图：

这里有几个细节：

waitStatus

CANCELLED(1)：当前节点取消获取锁。当等待超时或被中断(响应中断)，会触发变更为此状态，进入该状态后节点状态不再变化。
SIGNAL(-1)：后面节点等待当前节点唤醒。
CONDITION(-2)：Condition中使用，当前线程阻塞在Condition，如果其他线程调用了Condition的signal方法，这个结点将从等待队列转移到同步队列队尾，等待获取同步锁。
PROPAGATE(-3)：共享模式，前置节点唤醒后面节点后，唤醒操作无条件传播下去。
0：中间状态，当前节点后面的节点已经唤醒，但是当前节点线程还没有执行完成。

获取锁失败后挂起

如果前置节点不是头节点，或者前置节点是头节点但当前节点获取锁失败，这时当前节点需要挂起，分三种情况，
前置节点waitStatus=-1，如下图：

前置节点waitStatus > 0，如下图：

前置节点waitStatus < 0 但不等于 -1，如下图：

取消获取锁

如果获取锁抛出异常，则取消获取锁，如果当前节点是tail节点，分两种情况如下图：

如果当前节点不是tail节点，也分两种情况，如下图：

对中断状态忽略
如果前置节点的状态是 0 或 PROPAGATE，会被当前节点自旋过程中更新成-1，以便之后通知当前节点。
独占 + 响应中断
对应方法acquireInterruptibly(int arg)。
跟忽略中断(acquire方法)不同的是要响应中断，下面两个地方响应中断：

获取锁之前会检查当前线程是否中断。
获取锁失败入队，在队列中自旋获取锁的过程中也会检查当前线程是否中断。

如果检查到当前线程已经中断，则抛出InterruptedException，当前线程退出。

独占 + 响应中断 + 考虑超时

对应方法tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)。
这个方法具备了独占 + 响应中断 + 超时的功能，下面2个地方要判断是否超时：

自旋获取锁的过程中每次获取锁失败都要判断是否超时
获取锁失败park之前要判断超时时间是否大于自旋的阈值时间(spinForTimeoutThreshold = 1ns)

另外，park线程的操作使用parkNanos传入阻塞时间。

释放独占锁

独占锁释放分两步：释放锁，唤醒后继节点。
释放锁的方法 tryRelease 是抽象的，由子类去实现。
看一下唤醒后继节点的逻辑，首先需要满足两个条件：

head节点不等于 null
head节点waitStatus不等于0

这里有两种情况(在方法unparkSuccessor)：

情况一，后继节点waitStatus <= 0，直接唤醒后继节点，如下图：

情况二：后继节点为空或者waitStatus > 0，从后往前查找最接近当前节点的节点进行唤醒，如下图：

获取共享锁

之前讲了独占锁，下来谈共享锁，有什么不同呢？

共享，忽略`interrupts`

对应方法acquireShared，代码如下：

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

`tryAcquireShared`

这里获取锁使用的方法是tryAcquireShared，获取的是共享锁。获取共享锁跟获取独占锁不同的是，会返回一个整数值，说明如下:

返回负数：获取锁失败。
返回0：获取锁成功但是之后再由线程来获取共享锁时就会失败。
返回正数:获取锁成功而且之后再有线程来获取共享锁时也可能会成功。所以需要把唤醒操作传播下去。

tryAcquireShared获取锁失败后(返回负数)，就需要入队后自旋获取，也就是执行方法doAcquireShared。

`doAcquireShared`

怎么判断队列中等待节点是在等待共享锁呢？nextWaiter == SHARED，这个参数值是入队新建节点的时候构造函数传入的。
自旋过程中，如果获取锁成功(返回正数)，首先把自己设置成新的head节点，然后把通知传播下去。如下图：

之后会唤醒后面节点并保证唤醒操作可以传播下去。但是需要满足四个条件中的一个：

tryAcquireShared返回值大于0，有多余的锁，可以继续唤醒后继节点
旧的head节点waitStatus < 0，应该是其他线程释放共享锁过程中把它的状态更新成了-3
新的hade节点waitStatus < 0，只要不是tail节点，就可能是-1

这里会造成不必要的唤醒，因为唤醒后获取不到锁只能继续入队等待

当前节点的后继节点是空或者非空但正在等待共享锁

唤醒后面节点的操作，其实就是释放共享锁，对应方法是doReleaseShared，见释放共享锁一节。

共享 + 响应中断

对应方法acquireSharedInterruptibly(int arg)。
跟共享忽略中断(acquireShared方法)不同的是要响应中断，下面两个地方响应中断：

获取锁之前会检查当前线程是否中断。
获取锁失败入队，在队列中自旋获取锁的过程中也会检查当前线程是否中断。

如果检查到当前线程已经中断，则抛出InterruptedException，当前线程退出。

共享 + 响应中断 + 考虑超时

对应方法tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)。
这个方法具备了共享 + 响应中断 + 超时的功能，下面2个地方要判断是否超时：

自旋获取锁的过程中每次获取锁失败都要判断是否超时
获取锁失败park之前要判断超时时间是否大于自旋的阈值时间(spinForTimeoutThreshold = 1ns)

另外，park线程的操作使用parkNanos传入阻塞时间。

释放共享锁

释放共享锁代码如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

首先尝试释放共享锁，tryReleaseShared代码由子类来实现。释放成功后执行AQS中的doReleaseShared方法，是一个自旋操作。
自旋的条件是队列中至少有两个节点，这里分三种情况。
情况一：当前节点waitStatus是-1，如下图：

情况二：当前节点waitStatus是0(被其他线程更新新成了中间状态)，如下图：

情况三：当前节点waitStatus是-3，为什么会这样呢？需要解释一下，head节点唤醒后继节点之前waitStatus已经被更新中间态0了，唤醒后继节点动作还没有执行，又被其他线程更成了-3，也就是其他线程释放锁执行了上面情况二。这时需要先把waitStatus再更成0(在方法unparkSuccessor)，如下图：

抽象方法

上面的讲解可以看出，如果要基于AQS来实现并发锁，可以根据需求重写下面四个方法来实现，这四个方法在AQS中没有具体实现：

tryAcquire(int arg)：获取独占锁
tryRelease(int arg)：释放独占锁
tryAcquireShared(int arg)：获取共享锁
tryReleaseShared(int arg)：释放共享锁

AQS的子类需要重写上面的方法来修改state值，并且定义获取锁或者释放锁时state值的变化。子类也可以定义自己的state变量，但是只有更新AQS中的state变量才会对同步起作用。
还有一个判断当前线程是否持有独占锁的方法 isHeldExclusively，也可以供子类重写后使用。

总结

AQS使用FIFO队列实现了一个锁相关的并发器模板，可以基于这个模板来实现各种锁，包括独占锁、共享锁、信号量等。
AQS中，有一个核心状态是waitStatus，这个代表节点的状态，决定了当前节点的后续操作，比如是否等待唤醒，是否要唤醒后继节点。

15张图理解Java AQS