Java - JUC核心类AbstractQueuedSynchronizer(AQS)底层实现

 

一.  AQS内部结构介绍

JUC是Java中一个包  

java.util.concurrent

 。在这个包下，基本存放了Java中一些有关并发的类，包括并发工具，并发集合，锁等。

AQS（抽象队列同步器）是JUC下的一个基础类，大多数的并发工具都是基于AQS实现的。

AQS本质并没有实现太多的业务功能，只是对外提供了三点核心内容，来帮助实现其他的并发内容。

三点核心内容：

• int state

• 比如ReentrantLock或者ReentrantReadWriteLock， 它们获取锁的方式，都是对state变量做修改实现的。

• 比如CountDownLatch基于state作为计数器，同样的Semaphore也是用state记录资源个数。

• Node对象组成的双向链表（AQS中）

• 比如ReentrantLock，有一个线程没有拿到锁资源，当线程需要等待，则需要将线程封装为Node对象，将Node添加到双向链表，将线程挂起，等待即可。

• Node对象组成的单向链表（AQS中的ConditionObject类中）

• 比如ReentrantLock，一个线程持有锁资源时，执行了await方法（类比synchronized锁执行对象的wait方法），此时这个线程需要封装为Node对象，并添加到单向链表。

二.  Lock锁和AQS关系

ReentrantLock就是基于AQS实现的。ReentrantLock类中维护这个一个内部抽象类Sync，他继承了AQS类。ReentrantLock的lock和unlock方法就是调用的Sync的方法。

AQS流程（简述）

1. 当new了一个ReentrantLock时，AQS默认state值为0， head 和 tail 都为null；
2. A线程执行lock方法，获取锁资源。
3. A线程将state通过cas操作从0改为1，代表获取锁资源成功。
4. B线程要获取锁资源时，锁资源被A线程持有。
5. B线程获取锁资源失败，需要添加到双向链表中排队。
6. 挂起B线程，等待A线程释放锁资源，再唤醒挂起的B线程。
7. A线程释放锁资源，将state从1改为0，再唤醒head.next节点。
8. B线程就可以重新尝试获取锁资源。
   注： 修改AQS双向链表时要保证一个私有属性变化和两个共有属性变化，只需要让tail变化保证原子性即可。不能先改tail（会破坏双向链表）

三.  AQS - Lock锁的tryAcquire方法

ReentrantLock中的lock方法实际是执行的Sync的lock方法。

Sync是一个抽象类，继承了AQS

Sync有两个子类实现：

• FairSync: 公平锁
• NonFairSync： 非公平锁

Sync的lock方法实现：

//  非公平锁
final void lock() {
    //  CAS操作，尝试将state从0改为1
    //  成功就拿到锁资源， 失败执行acquire方法
    if (compareAndSetState(0, 1))
　　　　　//　成功就设置互斥锁的为当前线程拥有
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}
//  公平锁
final void lock() {
    acquire(1);
}

如果CAS操作没有成功，需要执行acquire

方法走后续

acquire方法是AQS提供的，公平和非公平都是走的这个方法

public final void acquire(int arg) {
    //  1. tryAcquire方法： 再次尝试拿锁
    //  2. addWaiter方法： 没有获取到锁资源，去排队
    //  3. acquireQueued方法：挂起线程和后续被唤醒继续获取锁资源的逻辑
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
　　　　　//　如果这个过程中出现中断，在整个过程结束后再自我中断　
        selfInterrupt();
}

在AQS中tryAcquire是没有具体实现逻辑的，AQS直接在tryAcquire方法中抛出异常

在公平锁和非公平锁中有自己的实现。

• 非公平锁tryAcquire方法

  //  非公平锁
  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
  }
  

// 非公平锁再次尝试拿锁 （注：该方法属于Sync类中）

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { // 获取当前线程对象 final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取state状态 int c = getState(); // state是不是没有线程持有锁资源，可以尝试获取锁 if (c == 0) { // 再次CAS操作尝试修改state状态从0改为1 if (compareAndSetState(0, acquires)) { // 成功就设置互斥锁的为当前线程拥有 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 锁资源是否被当前线程所持有 （可重入锁） else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 持有锁资源为当前， 则对state + 1 int nextc = c + acquires; // 健壮性判断 if (nextc < 0) // overflow // 超过最大锁重入次数会抛异常（几率很小，理论上存在） throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 设置state状态，代表锁重入成功 setState(nextc); return true; } return false;}

* 公平锁tryAcquire方法

// 公平锁

protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 获取当前线程对象 final Thread current = Thread.currentThread(); // 获取state状态 int c = getState(); // state是不是没有线程持有锁资源 if (c == 0) { // 当前锁资源没有被其他线程持有 // hasQueuedPredecessors方法： 锁资源没有被持有，进入队列排队 // 排队规则： // 1. 检查队列没有线程排队，抢锁。 // 2. 检查队列有线程排队，查看当前线程是否排在第一位，如果是抢锁，否则入队列（注：该方法只是判断，没有真正入队列） if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { // 再次CAS操作尝试， 成功就设置互斥锁的为当前线程拥有 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 锁资源是否被当前线程所持有 （可重入锁） else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 持有锁资源为当前， 则对state + 1 int nextc = c + acquires; // 健壮性判断 if (nextc < 0) // 超过最大锁重入次数会抛异常（几率很小，理论上存在） throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 设置state状态，代表锁重入成功 setState(nextc); return true; } return false;}

## 四.  AQS的addWaiter方法
 addWaiter方法，就是将当前线程封装为Node对象，并且插入到AQS的双向链表。

// 线程入队列排队

private Node addWaiter(Node mode) { // 将当前对象封装为Node对象
// Node.EXCLUSIVE 表示互斥 Node.SHARED 表示共享 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 获取tail节点 Node pred = tail; // 判断双向链表队列有没有初始化 if (pred != null) { // 将当前线程封装的Node节点prev属性指向tail尾节点 node.prev = pred; // 通过CAS操作设置当前线程封装的Node节点为尾节点 if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 成功则将上一个尾节点的next属性指向当前线程封装的Node节点 pred.next = node; return node; } } // 没有初始化head 和 tail 都等于null // enq方法： 插入双向链表和初始化双向链表 enq(node); // 完成节点插入 return node;}

// 插入双向链表和初始化双向链表

private Node enq(final Node node) { // 死循环
for (;;) { // 获取当前tail节点 Node t = tail; // 判断尾节点是否初始 if (t == null) { // Must initialize // 通过CAS操作初始化初始化一个虚拟的Node节点，赋给head节点 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { // 完成当前线程Node节点加入AQS双向链表的过程 // 当前线程封装的Node的上一个prev属性指向tail节点 // 流程： 1. prev(私有) ---> 2. tail(共有) ---> 3. next (共有) node.prev = t; // 通过CAS操作修改tail尾节点指向当前线程封装的Node if (compareAndSetTail(t, node)) { // 将当前线程封装的Node节点赋给上一个Node的下一个next属性 t.next = node; return t; } } }}

## 五.  AQS的acquireQueued方法
acquireQueued方法主要就是线程挂起以及重新尝试获取锁资源的地方
重新获取锁资源主要有两种情况：
* 上来就排在head.next，就回去尝试拿锁
* 唤醒之后尝试拿锁

// 当前线程Node添加到AQS队列后续操作

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 标记，记录拿锁状态 失败 boolean failed = true; try { // 中断状态 boolean interrupted = false; // 死循环 for (;;) { // 获取当前节点的上一个节点 prev final Node p = node.predecessor(); // 判断当前节点是否是head，是则代表当前节点排在第一位 // 如果是第一位，执行tryAcquire方法尝试拿锁 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 都成功，代表拿到锁资源 // 将当前线程Node设置为head节点，同时将Node的thread 和 prev属性设置为null setHead(node); // 将上一个head的next属性设置为null，等待GC回收 p.next = null; // help GC // 拿锁状态 成功 failed = false; // 返回中断状态 return interrupted; } // 没有获取到锁 --- 尝试挂起线程 // shouldParkAfterFailedAcquire方法： 挂起线程前的准备 // parkAndCheckInterrupt方法： 挂起当前线程 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) // 设置中断线程状态 interrupted = true; } } finally { // 取消节点 if (failed) cancelAcquire(node); }}

// 检查并更新无法获取锁节点的状态

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { // 获取上一个节点的ws状态 /** * SIGNAL(-1) 表示当前节点释放锁的时候，需要唤醒下一个节点。或者说后继节点在等待当前节点唤醒，后继节点入队时候，会将前驱节点更新给signal。 * CANCELLED(1) 表示当前节点已取消调度。当timeout或者中断情况下，会触发变更为此状态，进入该状态后的节点不再变化。 * CONDITION(-2) 当其他线程调用了condition的signal方法后，condition状态的节点会从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。 * PROPAGATE(-3) 表示共享模式下，前驱节点不仅会唤醒其后继节点，同时也可能唤醒后继的后继节点。 * 默认(0) 新节点入队时候的默认状态。 */ int ws = pred.waitStatus; // 判断上个节点ws状态是否是 -1， 是则挂起
if (ws == Node.SIGNAL) return true; if (ws > 0) { /**
* 判断上个节点是否是取消或者其他状态。 * 向前找到不是取消状态的节点，修改ws状态。 * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链， * 稍后就会被GC回收，这个操作实际是把队列中的cancelled节点剔除掉。 */ do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // 如果前驱节点正常，那就把上一个节点的状态通过CAS的方式设置成-1 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false;}

// 挂起当前线程

private final boolean parkAndCheckInterrupt() { // 挂起当前线程 LockSupport.park(this); // 返回中断标志 return Thread.interrupted();}

## 六.  AQS的Lock锁的unlock方法
unlock释放锁操作不分公平和非公平，都是执行的sync的release方法
释放锁的核心，就是将state从大于0的数值更改为0即为释放锁成功
并且unlock方法应该会涉及到AQS队列中的阻塞任务唤醒。
主要是LockSupport类中，阻塞方法park，唤醒方法unpark。

public void unlock() {

// 每次释放一次锁 sync.release(1);}

## 七.  AQS的Lock锁的release方法
在释放锁时，只有state被减为0之后，才会去唤醒AQS队列中被挂起的线程
在唤醒挂起线程时，如果head的next状态不正确，会从后往前找到离head最近的节点进行唤醒
<b>为什么从后往前找？</b>（因为addWaiter方法中入阻塞队列的方式是，先将当前节点prev指针赋值，
在将tail指向自己，在把上个节点的next指针赋值，为了避免丢失节点或者跳过节点，必须从后向前找）

// 互斥锁模式 解锁

public final boolean release(int arg) { // 尝试是否可以解锁 if (tryRelease(arg)) {　　　　 //　 锁释放成功，进行后续处理 Node h = head; // 判断双链表是否存在线程排队 if (h != null && h.waitStatus != 0) // 唤醒后续线程 unparkSuccessor(h); return true; }　　 // 释放一次没有完成释放掉 return false;}

// 尝试是否可以解锁

protected final boolean tryRelease(int releases) { // 锁状态 = 状态 - 1 int c = getState() - releases; // 判断锁是是否是当前线程持有 　　健壮性判断 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) // 当前线程没有持有抛出异常 throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 当前锁状态变为0，则清空锁归属线程 if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } // 设置状态，c不为0代表锁之前重入了，一次没有释放掉，c赋给state，等待下次执行，再判断 setState(c); return free;}

// 唤醒线程

private void unparkSuccessor(Node node) { // 获取头节点的状态 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) // 通过CAS将头节点的状态设置为初始状态 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 后继节点 Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 从尾节点开始往前遍历，寻找离头节点最近的等待状态正常的节点 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) // 真正的唤醒操作 LockSupport.unpark(s.thread);}

```

 

 

以上仅供参考！！