扔掉源碼，15張圖帶你徹底理解java AQS

java中AQS是AbstractQueuedSynchronizer類，AQS依賴FIFO隊(duì)列來(lái)提供一個(gè)框架，這個(gè)框架用于實(shí)現(xiàn)鎖以及鎖相關(guān)的同步器，比如信號(hào)量、事件等。

在AQS中，主要有兩部分功能，一部分是操作state變量，第二部分是實(shí)現(xiàn)排隊(duì)和阻塞機(jī)制。

注意，AQS并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何同步接口，它只是提供了類似acquireInterruptible的方法，調(diào)用這些方法可以實(shí)現(xiàn)鎖和同步器。

管程模型

java使用MESA管程模型來(lái)管理類的成員變量和方法，讓這個(gè)類的成員變量和方法的操作是線程安全的。下圖是MESA管程模型，里面除了定義共享變量外，還定義了條件變量和條件變量等待隊(duì)列：

java中的MESA模型有一點(diǎn)改進(jìn)，就是管程內(nèi)部只有一個(gè)條件變量和一個(gè)等待隊(duì)列。下圖是AQS的管程模型：

AQS的管程模型依賴AQS中的FIFO隊(duì)列實(shí)現(xiàn)入口等待隊(duì)列，而ConditionObject則實(shí)現(xiàn)了條件隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列可以創(chuàng)建多個(gè)。本文主要講解入口等待隊(duì)列獲取鎖的幾種方式。參考1^[1]

獲取獨(dú)占鎖

獨(dú)占, 忽略interrupts

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

這里的tryAcquire是抽象方法，有AQS的子類來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槊總€(gè)子類實(shí)現(xiàn)的鎖是不一樣的。

入隊(duì)

上面的代碼可以看到，獲取鎖失敗后，會(huì)先執(zhí)行addWaiter方法加入隊(duì)列，然后執(zhí)行acquireQueued方法自旋地獲取鎖直到成功。

addWaiter代碼邏輯如下圖，簡(jiǎn)單說(shuō)就是把node入隊(duì)，入隊(duì)后返回node參數(shù)給acquireQueued方法：

這里有一個(gè)點(diǎn)需要注意，如果隊(duì)列為空，則新建一個(gè)Node作為隊(duì)頭。

入隊(duì)后獲取鎖

acquireQueued自旋獲取鎖邏輯如下圖：

這里有幾個(gè)細(xì)節(jié)：

1.waitStatus

• CANCELLED(1)：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)取消獲取鎖。當(dāng)?shù)却瑫r(shí)或被中斷(響應(yīng)中斷)，會(huì)觸發(fā)變更為此狀態(tài)，進(jìn)入該狀態(tài)后節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不再變化。
• SIGNAL(-1)：后面節(jié)點(diǎn)等待當(dāng)前節(jié)點(diǎn)喚醒。
• CONDITION(-2)：Condition中使用，當(dāng)前線程阻塞在Condition，如果其他線程調(diào)用了Condition的signal方法，這個(gè)結(jié)點(diǎn)將從等待隊(duì)列轉(zhuǎn)移到同步隊(duì)列隊(duì)尾，等待獲取同步鎖。
• PROPAGATE(-3)：共享模式，前置節(jié)點(diǎn)喚醒后面節(jié)點(diǎn)后，喚醒操作無(wú)條件傳播下去。
• 0：中間狀態(tài)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后面的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)喚醒，但是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)線程還沒(méi)有執(zhí)行完成。

2.獲取鎖失敗后掛起

如果前置節(jié)點(diǎn)不是頭節(jié)點(diǎn)，或者前置節(jié)點(diǎn)是頭節(jié)點(diǎn)但當(dāng)前節(jié)點(diǎn)獲取鎖失敗，這時(shí)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要掛起，分三種情況，

前置節(jié)點(diǎn)waitStatus=-1，如下圖：

前置節(jié)點(diǎn)waitStatus > 0，如下圖：

前置節(jié)點(diǎn)waitStatus < 0 但不等于 -1，如下圖：

3.取消獲取鎖

如果獲取鎖拋出異常，則取消獲取鎖，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是tail節(jié)點(diǎn)，分兩種情況如下圖：

如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不是tail節(jié)點(diǎn)，也分兩種情況，如下圖：

4.對(duì)中斷狀態(tài)忽略

5.如果前置節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是 0 或 PROPAGATE，會(huì)被當(dāng)前節(jié)點(diǎn)自旋過(guò)程中更新成-1，以便之后通知當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

獨(dú)占 + 響應(yīng)中斷

對(duì)應(yīng)方法acquireInterruptibly(int arg)。

跟忽略中斷(acquire方法)不同的是要響應(yīng)中斷，下面兩個(gè)地方響應(yīng)中斷：

• 獲取鎖之前會(huì)檢查當(dāng)前線程是否中斷。
• 獲取鎖失敗入隊(duì)，在隊(duì)列中自旋獲取鎖的過(guò)程中也會(huì)檢查當(dāng)前線程是否中斷。

如果檢查到當(dāng)前線程已經(jīng)中斷，則拋出InterruptedException，當(dāng)前線程退出。

獨(dú)占 + 響應(yīng)中斷 + 考慮超時(shí)

對(duì)應(yīng)方法tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)。

這個(gè)方法具備了獨(dú)占 + 響應(yīng)中斷 + 超時(shí)的功能，下面2個(gè)地方要判斷是否超時(shí)：

• 自旋獲取鎖的過(guò)程中每次獲取鎖失敗都要判斷是否超時(shí)
• 獲取鎖失敗park之前要判斷超時(shí)時(shí)間是否大于自旋的閾值時(shí)間**(spinForTimeoutThreshold = 1ns)**

另外，park線程的操作使用parkNanos傳入阻塞時(shí)間。

釋放獨(dú)占鎖

獨(dú)占鎖釋放分兩步：釋放鎖，喚醒后繼節(jié)點(diǎn)。

釋放鎖的方法 tryRelease 是抽象的，由子類去實(shí)現(xiàn)。

我們看一下喚醒后繼節(jié)點(diǎn)的邏輯，首先需要滿足兩個(gè)條件：

• head節(jié)點(diǎn)不等于 null
• head節(jié)點(diǎn)waitStatus不等于0

這里有兩種情況(在方法unparkSuccessor)：

• 情況一，后繼節(jié)點(diǎn)waitStatus <= 0，直接喚醒后繼節(jié)點(diǎn)，如下圖：

• 情況二：后繼節(jié)點(diǎn)為空或者waitStatus > 0，從后往前查找最接近當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒，如下圖：

獲取共享鎖

之前我們講了獨(dú)占鎖，這一小節(jié)我們談共享鎖，有什么不同呢？

共享，忽略interrupts

對(duì)應(yīng)方法acquireShared，代碼如下：

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

tryAcquireShared

這里獲取鎖使用的方法是tryAcquireShared，獲取的是共享鎖。獲取共享鎖跟獲取獨(dú)占鎖不同的是，會(huì)返回一個(gè)整數(shù)值，說(shuō)明如下:

• 返回負(fù)數(shù)：獲取鎖失敗。
• 返回0：獲取鎖成功但是之后再由線程來(lái)獲取共享鎖時(shí)就會(huì)失敗。
• 返回正數(shù):獲取鎖成功而且之后再有線程來(lái)獲取共享鎖時(shí)也可能會(huì)成功。所以需要把喚醒操作傳播下去。

tryAcquireShared獲取鎖失敗后(返回負(fù)數(shù))，就需要入隊(duì)后自旋獲取，也就是執(zhí)行方法doAcquireShared。

doAcquireShared

怎么判斷隊(duì)列中等待節(jié)點(diǎn)是在等待共享鎖呢？nextWaiter == SHARED，這個(gè)參數(shù)值是入隊(duì)新建節(jié)點(diǎn)的時(shí)候構(gòu)造函數(shù)傳入的。

自旋過(guò)程中，如果獲取鎖成功(返回正數(shù))，首先把自己設(shè)置成新的head節(jié)點(diǎn)，然后把通知傳播下去。如下圖：net/anlian523/article/details/106319294/

之后會(huì)喚醒后面節(jié)點(diǎn)并保證喚醒操作可以傳播下去。但是需要滿足四個(gè)條件中的一個(gè)：

• tryAcquireShared返回值大于0，有多余的鎖，可以繼續(xù)喚醒后繼節(jié)點(diǎn)
• 舊的head節(jié)點(diǎn)waitStatus < 0，應(yīng)該是其他線程釋放共享鎖過(guò)程中把它的狀態(tài)更新成了-3
• 新的hade節(jié)點(diǎn)waitStatus < 0，只要不是tail節(jié)點(diǎn)，就可能是-1

這里會(huì)造成不必要的喚醒，因?yàn)閱拘押螳@取不到鎖只能繼續(xù)入隊(duì)等待

• 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)是空或者非空但正在等待共享鎖

喚醒后面節(jié)點(diǎn)的操作，其實(shí)就是釋放共享鎖，對(duì)應(yīng)方法是doReleaseShared，見(jiàn)釋放共享鎖一節(jié)。

共享 + 響應(yīng)中斷

對(duì)應(yīng)方法acquireSharedInterruptibly(int arg)。

跟共享忽略中斷(acquireShared方法)不同的是要響應(yīng)中斷，下面兩個(gè)地方響應(yīng)中斷：

• 獲取鎖之前會(huì)檢查當(dāng)前線程是否中斷。
• 獲取鎖失敗入隊(duì)，在隊(duì)列中自旋獲取鎖的過(guò)程中也會(huì)檢查當(dāng)前線程是否中斷。

如果檢查到當(dāng)前線程已經(jīng)中斷，則拋出InterruptedException，當(dāng)前線程退出。

共享 + 響應(yīng)中斷 + 考慮超時(shí)

對(duì)應(yīng)方法tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)。

這個(gè)方法具備了共享 + 響應(yīng)中斷 + 超時(shí)的功能，下面2個(gè)地方要判斷是否超時(shí)：

• 自旋獲取鎖的過(guò)程中每次獲取鎖失敗都要判斷是否超時(shí)
• 獲取鎖失敗park之前要判斷超時(shí)時(shí)間是否大于自旋的閾值時(shí)間(spinForTimeoutThreshold = 1ns)

另外，park線程的操作使用parkNanos傳入阻塞時(shí)間。

釋放共享鎖

釋放共享鎖代碼如下：

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

首先嘗試釋放共享鎖，tryReleaseShared代碼由子類來(lái)實(shí)現(xiàn)。釋放成功后執(zhí)行AQS中的doReleaseShared方法，是一個(gè)自旋操作。

自旋的條件是隊(duì)列中至少有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，這里分三種情況。

情況一：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)waitStatus是-1，如下圖：

情況二：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)waitStatus是0(被其他線程更xin新成了中間狀態(tài))，如下圖：

情況三：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)waitStatus是-3，為什么會(huì)這樣呢？需要解釋一下，head節(jié)點(diǎn)喚醒后繼節(jié)點(diǎn)之前waitStatus已經(jīng)被更新中間態(tài)0了，喚醒后繼節(jié)點(diǎn)動(dòng)作還沒(méi)有執(zhí)行，又被其他線程更成了-3，也就是其他線程釋放鎖執(zhí)行了上面情況二。這時(shí)需要先把waitStatus再更成0(在方法unparkSuccessor)，如下圖：

抽象方法

上面的講解可以看出，如果要基于AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)鎖，可以根據(jù)需求重寫下面四個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這四個(gè)方法在AQS中沒(méi)有具體實(shí)現(xiàn)：

• tryAcquire(int arg)：獲取獨(dú)占鎖
• tryRelease(int arg)：釋放獨(dú)占鎖
• tryAcquireShared(int arg)：獲取共享鎖
• tryReleaseShared(int arg)：釋放共享鎖 
  參考2^[2]

AQS的子類需要重寫上面的方法來(lái)修改state值，并且定義獲取鎖或者釋放鎖時(shí)state值的變化。子類也可以定義自己的state變量，但是只有更新AQS中的state變量才會(huì)對(duì)同步起作用。

還有一個(gè)判斷當(dāng)前線程是否持有獨(dú)占鎖的方法 isHeldExclusively，也可以供子類重寫后使用。

獲取/釋放鎖的具體實(shí)現(xiàn)放到下篇文章講解。

總結(jié)

AQS使用FIFO隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了一個(gè)鎖相關(guān)的并發(fā)器模板，可以基于這個(gè)模板來(lái)實(shí)現(xiàn)各種鎖，包括獨(dú)占鎖、共享鎖、信號(hào)量等。

AQS中，有一個(gè)核心狀態(tài)是waitStatus，這個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，決定了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后續(xù)操作，比如是否等待喚醒，是否要喚醒后繼節(jié)點(diǎn)。

     ··············  END  ··············

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參考資料