AQS原理

https://zhuanlan.zhihu.com/p/178991617

一、概述

AQS是AbstractQueuedSynchronizer类的简称，虽然我们不会直接使用这个类，但是这个类是Java很多并发工具的功能实现提供支撑。

从下图可看出，我们常用的ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch都依赖这个类实现。

二、深入源码

/**
 * 可以看到AbstractQueuedSynchronizer是一个抽象类
 * 实现了Serializable 接口
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable { 
   /**
    * The synchronization state.
    * state变量表示锁的状态
    * 0 表示未锁定
    * 大于0表示已锁定
    * 需要注意的是，这个值可以用来实现锁的【可重入性】，例如 state=3 就表示锁被同一个线程获取了3次，想要完全解锁，必须要对应的解锁3次
    * 同时这个变量还是用volatile关键字修饰的，保证可见性
    */
    private volatile int state;
    /**
     * 等待队列的头节点，只能通过setHead方法修改
     * 如果head存在，能保证waitStatus状态不为CANCELLED
     */
    private transient volatile Node head;
    /**
     * 等待队列的尾结点，只能通过enq方法来添加新的等待节点
     */
    private transient volatile Node tail;
}

AbstractQueuedSynchronizer从名字上就可看出本质是一个队列（Queue），其内部维护着FIFO的双向队列，也就是CLH(Craig, Landin, and Hagersten)队列。
这个队列中的每一个元素都是一个Node，所以接下来了解一下其内部类Node，内部类Node的定义如下

static final class Node {
    // 节点正在共享模式下等待的标记
    static final Node SHARED = new Node();
    // 节点正在以独占模式等待的标记
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    // waitStatus变量的可选值，因为超时或者或者被中断，节点会被设置成取消状态。被取消的节点不会参与锁竞争，状态也不会再改变
    static final int CANCELLED =  1;
    // waitStatus变量的可选值，表示后继节点处于等待状态，如果当前节点释放了锁或者被取消，会通知后继节点去运行
    static final int SIGNAL    = -1;
    // waitStatus变量的可选值，表示节点处于condition队列中，正在等待被唤醒
    static final int CONDITION = -2;
    // waitStatus变量的可选值，下一次acquireShared应该无条件传播
    static final int PROPAGATE = -3;
   // 节点的等待状态
    volatile int waitStatus;
    // 前驱节点
    volatile Node prev;
    // 后继节点
    volatile Node next;
    // 获取同步状态的线程
    volatile Thread thread;
    // 下一个condition队列等待节点
    Node nextWaiter;
    // 是否是共享模式
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    // 返回前驱节点或者抛出异常
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

再来直观看一下AQS的基本结构

2.1 核心方法

我们都知道CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ReentrantLock这些工具类中，有的只支持独占，如ReentrantLock#lock()，有的支持共享，多个线程同时执行，如Semaphore。并且，从前文Node类的定义也可以看到

// 节点正在共享模式下等待的标记
static final Node SHARED = new Node();
// 节点正在以独占模式等待的标记
static final Node EXCLUSIVE = null;

AQS实现了两套加锁解锁的方式，那就是独占式和共享式。我们先看下独占式的实现，独占式的实现，就从ReentrantLock#lock()方法开始。

ReentrantLock#lock()

该方法体如下

public void lock() {
    sync.lock();
}

其中sync是AbstractQueuedSynchronizer的实现，我们知道，ReentrantLock支持公平锁和非公平锁，其实现类分别是FairSync和NonfairSync，我们看看公平锁和非公平锁分别是怎么实现的。

// FairSync 公平锁的实现
final void lock() {
    acquire(1);
}
// NonfairSync 非公平锁的实现
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

可以看到，非公平锁的实现仅仅是多了一个步骤：通过CAS的方式(compareAndSetState)尝试改变state的状态，修改成功后设置当前线程以独占的方式获取了锁，不会去判断等待队列中在当前线程之前是否还有等待获取锁的线程，所以是“不公平”的，修改失败执行的逻辑和公平锁一样。
这就是公平锁和非公平锁的本质区别
从这段代码中可以看到，独占锁加锁的核心逻辑就是acquire方法，接下来就看看这个方法

AbstractQueuedSynchronizer#acquire()

方法体如下：

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

该方法主要调用tryAcquire方法尝试获取锁，成功返回true，失败就将线程封装成Node对象，放入队列。

FairSync#tryAcquire()

tryAcquire方法在AQS中并没有直接实现，而是采用模板方法的设计模式，交给子类去实现。我们来看公平锁的实现。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取state状态，0表示未锁定，大于1表示重入
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 表示没有线程获取锁
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 没有比当前线程等待更久的线程了，通过CAS的方式修改state
            // 成功之后，设置当前拥有独占访问权的线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 独占访问权的线程就是当前线程，重入
        // 此处就是【可重入性】的实现
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 直接修改state
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

可以看到该方法就是以独占的方式获取锁，获取成功后返回true。从这个方法可以看出state变量是实现可重入性的关键。
非公平锁的实现方式大同小异，感兴趣的同学可以自行阅读源码。
acquire方法除了调用tryAcquire，还调用了acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，这里分为两步，先看下addWaiter方法。

AbstractQueuedSynchronizer#addWaiter

/**
 * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
 * 为当前线程和给定模式创建并排队节点，给的的模式分为：
 * 1、Node.EXCLUSIVE：独占模式
 * 2、Node.SHARED：共享模式
 * 
 * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
 */
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 创建Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    // 尝试快速添加尾结点，失败就执行enq方法
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // CAS的方式设置尾结点
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 快速添加失败，执行该方法
    enq(node);
    return node;
}

如果前面添加失败，则enq()方法保证添加成功

/**
 * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
 * 将节点插入队列，必要时进行初始化
 * 
 * @param node the node to insert
 * @return node's predecessor 
 */
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        // 自旋
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            // 尾结点为空，队列还没有进行初始化
            // 设置头节点
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            // CAS的方式设置尾结点，失败就进入下次循环
            // 也就是【自旋 + CAS】的方式保证设置成功
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

可以看到该方法就是用来往队列尾部插入一个新的节点，通过自旋 + CAS的方式保证线程安全和插入成功。
需要注意的是，该方法返回的Node节点不是新插入的节点，而是新插入节点的前驱节点。

AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued

/**
 * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
 * queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
 *
 */
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 操作是否成功
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            // 自旋
            // 获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 前驱节点是头节点，并且已经获取了锁（tryAcquire方法在前文中详细讲解过）
                // 就把当前节点设置成头节点（因为前驱节点已经获取了锁，所以前驱节点不用再留在队列）
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                // 如果前驱节点不是头节点或者没有获取锁
                // shouldParkAfterFailedAcquire方法用于判断当前线程是否需要被阻塞
                // parkAndCheckInterrupt方法用于阻塞线程并且检测线程是否被中断
                // 没抢到锁的线程需要被阻塞，避免一直去争抢锁，浪费CPU资源
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            // 自旋异常退出，取消正在进行锁争抢
            cancelAcquire(node);
    }
}

AbstractQueuedSynchronizer#shouldParkAfterFailedAcquire

用于判断当前线程获取锁失败后是否需要被阻塞

/**
 * Checks and updates status for a node that failed to acquire.
 * Returns true if thread should block. This is the main signal
 * control in all acquire loops.  Requires that pred == node.prev.
 *
 * @param pred node's predecessor holding status
 * @param node the node
 * @return {@code true} if thread should block
 */
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    // 获取前驱节点的等待状态
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * SIGNAL表示后继节点处于等待状态，如果当前节点释放了锁或者被取消，会通知后继节点去运行
         * 所以作为后继节点，node直接返回true，表示需要被阻塞
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * 前驱节点被取消了，需要从队列中移除，并且循环找到下一个不是取消状态的节点
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        /*
         * 通过CAS将前驱节点的status设置成SIGNAL
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

AbstractQueuedSynchronizer#parkAndCheckInterrupt

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    // 阻塞当前线程
    LockSupport.park(this);
    // 检测当前线程是否被中断（该方法会清除中断标识位）
    return Thread.interrupted();
}

至此，独占锁的整个加锁过程就已经完成。再来回顾下整个流程

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

首先执行tryAcquire方法用于尝试获取锁，成功后就直接返回，失败后就通过addWaiter方法把当前线程封装成一个Node，加到队列的尾部，再通过acquireQueued方法尝试获取同步锁，成功获取锁的线程的Node节点会被移出队列。
如果以上条件都满足，会执行selfInterrupt方法中断当前线程。
看完了独占锁的加锁，再来看看独占锁的解锁。同样从ReentrantLock入手

ReentrantLock#unlock

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

我们已经知道了sync是AQS的实现，所以直接查看AQS中的release方法

/**
 * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or
 * more threads if {@link #tryRelease} returns true.
 * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
 *
 * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
 *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
 *        can represent anything you like.
 * @return the value returned from {@link #tryRelease}
 */
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        // 尝试释放锁
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 头节点已经释放，唤醒后继节点
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

ReentrantLock.Sync#tryRelease

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 计算剩余的重入次数
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 是否完全的释放了锁（针对可重入性）
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        // 表示完全释放了锁
        free = true;
        // 设置独占锁的持有者为null
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 设置AQS的state
    setState(c);
    return free;
}

AbstractQueuedSynchronizer#unparkSuccessor

unparkSuccessor方法用于唤醒后继节点，其定义如下

/**
 * Wakes up node's successor, if one exists.
 *
 * @param node the node
 */
private void unparkSuccessor(Node node) {
   // 获取当前节点的状态
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        // 当前节点的后继节点为null，或者被取消了
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            // 从尾结点查找状态不为取消的可用节点
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        // 唤醒后继节点
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

前文说过AQS实现了两套同步逻辑，也就是独占式和共享式。看完了独占式锁的实现，再来看一下共享式。这里以Semaphore为例。

Semaphore#acquire

该方法是作用是请求一个许可，如果暂时没有可用的许可，则被阻塞，等待将来的某个时间被唤醒。因为Semaphore可以允许多个线程同时执行，所以可以看成是共享锁的实现。该方法定义如下

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

sync是AQS的实现，可以看到acquire方法底层调用的是acquireSharedInterruptibly方法。
在JDK中，与锁相关的方法，Interruptibly表示可中断，也就是可中断锁。可中断锁的意思是线程在等待获取锁的过程中可以被中断，换言之，线程在等待锁的过程中可以响应中断。
接下来看看acquireSharedInterruptibly方法的实现

AbstractQueuedSynchronizer#acquireSharedInterruptibly

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        // 检测线程的中断中断状态，如果已经被中断了，就响应中断
        // 该方法会清除线程的中断标识位
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

Semaphore.FairSync#tryAcquireShared

tryAcquireShared方法，相信大家已经能看出来，这里使用了模板方法模式，具体实现由子类去实现。Semaphore也实现了公平模式和非公平模式。公平的方式和非公平的方式实现逻辑大同小异。所以具体看下公平模式下的实现方式

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        // 自旋
        if (hasQueuedPredecessors())
            // 如果有线程排在自己的前面（公平锁排队），直接返回
            return -1;
        // 获取同步状态的值
        int available = getState();
        // 可用的（许可）减去申请的，等于剩余的
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            // 如果剩余的小于0，或者设置状态成功，就返回，如果设置失败，则进入下一次循环
            // 如果剩余小于0，返回负数，表示失败
            // 如果设置状态成功，表示申请许可成功，返回正数
            return remaining;
    }
}

此处还是自旋 + CAS的方式保证线程安全和设置成功。

AbstractQueuedSynchronizer#doAcquireSharedInterruptibly

方法定义如下

/**
 * Acquires in shared interruptible mode.
 * 在共享可中断模式下请求（许可）
 */
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 为当前线程和给定模式创建节点并插入队列尾部，addWaiter方法前文讲解过
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    // 操作是否失败
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            // 自旋
            // 获取当前节点的前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                // 如果前驱节点是头节点，以共享的方式请求获取锁，tryAcquireShared方法前文讲解过
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    // 成功获取锁，设置头节点和共享模式传播
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                // 如果前驱节点不是头节点或者没有获取锁
                // shouldParkAfterFailedAcquire方法用于判断当前线程是否需要被阻塞，该方法前文讲解过
                // parkAndCheckInterrupt方法用于阻塞线程并且检测线程是否被中断，该方法前文讲解过
                // 没抢到锁的线程需要被阻塞，避免一直去争抢锁，浪费CPU资源
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            // 自旋异常退出，取消正在进行锁争抢
            cancelAcquire(node);
    }
}

加锁的逻辑已经完成，再来看看解锁的逻辑。

Semaphore#release

release用于释放许可，其方法定义如下

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

AbstractQueuedSynchronizer#releaseShared

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

Semaphore.Sync#tryReleaseShared

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        // 自旋
        // 获取同步状态的值
        int current = getState();
        // 可用的（许可）加上释放的，等于剩余的
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        if (compareAndSetState(current, next))
            // CAS的方式设置同步状态
            return true;
    }
}

可以看到此处依旧是自旋 + CAS的操作

AbstractQueuedSynchronizer#doReleaseShared

/**
 * Release action for shared mode -- signals successor and ensures
 * propagation. (Note: For exclusive mode, release just amounts
 * to calling unparkSuccessor of head if it needs signal.)
 */
private void doReleaseShared() {
    /*
     * Ensure that a release propagates, even if there are other
     * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
     * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
     * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
     * ensure that upon release, propagation continues.
     * Additionally, we must loop in case a new node is added
     * while we are doing this. Also, unlike other uses of
     * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
     * fails, if so rechecking.
     */
    for (;;) {
        // 自旋
        // 记录头节点
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            // 头节点不为null，且不等于尾结点，说明队列中还有节点
            // 获取头节点等待状态
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 头节点等待状态是SIGNAL
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    // 如果修改节点等待状态失败，进入下一次循环
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 修改成功后，唤醒后继节点，unparkSuccessor前文讲过
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

总结

AQS可以说是整个并发编程中最难的一个类。但是理解AQS的实现却非常重要，因为它是JDK中锁和其他同步工具实现的基础。