并发编程的基石——AQS类

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本博客系列是学习并发编程过程中的记录总结。由于文章比较多，写的时间也比较散，所以我整理了个目录贴（传送门），方便查阅。

并发编程系列博客传送门

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本文参考了[Java多线程进阶（六）—— J.U.C之locks框架：AQS综述(1)]和Java技术之AQS详解两篇文章。

AQS 简介

AbstractQueuedSynchronizer （简称AQS）类是整个 JUC包的核心类。JUC 中的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、 CountDownLatch、Semaphore和LimitLatch等同步工具都是基于AQS实现的。

AQS 分离出了构建同步器时的通用关注点，这些关注点主要包括如下：

• 资源是可以被同时访问？还是在同一时间只能被一个线程访问？（共享/独占功能）
• 访问资源的线程如何进行并发管理？（等待队列）
• 如果线程等不及资源了，如何从等待队列退出？（超时/中断）

这些关注点都是围绕着资源——同步状态（synchronization state）来展开的，AQS将这些通用的关注点封装成了一个个模板方法，让子类可以直接使用。

AQS 留给用户的只有两个问题：

• 什么是资源
• 什么情况下资源是可以被访问的

这样一来，定义同步器的难度就大大降低了。用户只要解决好上面两个问题，就能构建出一个性能优秀的同步器。

下面是几个常见的同步器对资源的定义：

同步器	资源的定义
ReentrantLock	资源表示独占锁。State为0表示锁可用；为1表示被占用；为N表示重入的次数
ReentrantReadWriteLock	资源表示共享的读锁和独占的写锁。state逻辑上被分成两个16位的unsigned short，分别记录读锁被多少线程使用和写锁被重入的次数。
CountDownLatch	资源表示倒数计数器。State为0表示计数器归零，所有线程都可以访问资源；为N表示计数器未归零，所有线程都需要阻塞。
Semaphore	资源表示信号量或者令牌。State≤0表示没有令牌可用，所有线程都需要阻塞；大于0表示由令牌可用，线程每获取一个令牌，State减1，线程没释放一个令牌，State加1。

AQS 原理

上面一节中介绍到 AQS 抽象出了三个关注点，下面就具体看下 AQS 是如果解决这三个问题的。

同步状态的管理

同步状态，其实就是资源。AQS使用单个int（32位）来保存同步状态，并暴露出getState、setState以及compareAndSetState操作来读取和更新这个状态。

private volatile int state;
  
protected final int getState() {
    return state;
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

线程的阻塞和唤醒

在JDK1.5之前，除了内置的监视器机制外，没有其它方法可以安全且便捷得阻塞和唤醒当前线程。

JDK1.5以后，java.util.concurrent.locks包提供了LockSupport类来作为线程阻塞和唤醒的工具。

等待队列

等待队列，是AQS框架的核心，整个框架的关键其实就是如何在并发状态下管理被阻塞的线程。

等待队列是严格的FIFO队列，是Craig，Landin和Hagersten锁（CLH锁）的一种变种，采用双向循环链表实现，因此也叫CLH队列。

1. 节点定义

CLH队列中的结点是对线程的包装，结点一共有两种类型：独占（EXCLUSIVE）和共享（SHARED）。

每种类型的结点都有一些状态，其中独占结点使用其中的CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)，共享结点使用其中的CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、PROPAGATE(-3)。

结点状态	值	描述
CANCELLED	1	取消。表示后驱结点被中断或超时，需要移出队列
SIGNAL	-1	发信号。表示后驱结点被阻塞了（当前结点在入队后、阻塞前，应确保将其prev结点类型改为SIGNAL，以便prev结点取消或释放时将当前结点唤醒。）
CONDITION	-2	Condition专用。表示当前结点在Condition队列中，因为等待某个条件而被阻塞了
PROPAGATE	-3	传播。适用于共享模式（比如连续的读操作结点可以依次进入临界区，设为PROPAGATE有助于实现这种迭代操作。）
INITIAL	0	默认。新结点会处于这种状态

AQS使用CLH队列实现线程的结构管理，而CLH结构正是用前一结点某一属性表示当前结点的状态，之所以这种做是因为在双向链表的结构下，这样更容易实现取消和超时功能。

next指针：用于维护队列顺序，当临界区的资源被释放时，头结点通过next指针找到队首结点。

prev指针：用于在结点（线程）被取消时，让当前结点的前驱直接指向当前结点的后驱完成出队动作。

static final class Node {
    
    // 共享模式结点
    static final Node SHARED = new Node();
    
    // 独占模式结点
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    static final int CANCELLED =  1;

    static final int SIGNAL    = -1;

    static final int CONDITION = -2;

    static final int PROPAGATE = -3;

    /**
    * INITAL：      0 - 默认，新结点会处于这种状态。
    * CANCELLED：   1 - 取消，表示后续结点被中断或超时，需要移出队列；
    * SIGNAL：      -1- 发信号，表示后续结点被阻塞了；（当前结点在入队后、阻塞前，应确保将其prev结点类型改为SIGNAL，以便prev结点取消或释放时将当前结点唤醒。）
    * CONDITION：   -2- Condition专用，表示当前结点在Condition队列中，因为等待某个条件而被阻塞了；
    * PROPAGATE：   -3- 传播，适用于共享模式。（比如连续的读操作结点可以依次进入临界区，设为PROPAGATE有助于实现这种迭代操作。）
    * 
    * waitStatus表示的是后续结点状态，这是因为AQS中使用CLH队列实现线程的结构管理，而CLH结构正是用前一结点某一属性表示当前结点的状态，这样更容易实现取消和超时功能。
    */
    volatile int waitStatus;

    // 前驱指针
    volatile Node prev;

    // 后驱指针
    volatile Node next;

    // 结点所包装的线程
    volatile Thread thread;

    // Condition队列使用，存储condition队列中的后继节点
    Node nextWaiter;

    Node() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) { 
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
}

2. 队列定义

对于CLH队列，当线程请求资源时，如果请求不到，会将线程包装成结点，将其挂载在队列尾部。

下面结合代码一起看下节点进入队列的过程。

   private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;   // 1
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))  // 2 
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t; // 3
                if (compareAndSetTail(t, node)) { // 4
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

如上代码在第一次循环中，当要在AQS队列尾部插入元素时，AQS队列状态如下图中（default）所示。也就是队列头、尾节点都指向null；当执行代码（1）后节点t指向了尾部节点，这时候队列状态如图中（I）所示。

这时候t为null，故执行代码（2），使用CAS算法设置一个哨兵节点为头节点，如果CAS设置成功，则让尾部节点也指向哨兵节点，这时候队列状态如图中（II）所示。

到现在为止只插入了一个哨兵节点，还需要插入node节点，所以在第二次循环后执行到代码（1），这时候队列状态如图中（III）所示；然后执行代码（3）设置node的前驱节点为尾部节点，这时候队列状态如图中（IV）所示；

然后通过CAS算法设置node节点为尾部节点，CAS成功后队列状态如图中（V）所示；

CAS成功后再设置原来的尾部节点的后驱节点为node，这时候就完成了双向链表的插入，此时队列状态如图中（VI）所示。

AQS 的方法介绍

用户需要自己重写的方法

上面介绍到 AQS 已经帮用户解决了同步器定义过程中的大部分问题，只将下面两个问题丢给用户解决：

• 什么是资源
• 什么情况下资源是可以被访问的

具体的，AQS 是通过暴露以下 API 来让用户解决上面的问题的。

钩子方法	描述
tryAcquire	独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease	独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryAcquireShared	共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
tryReleaseShared	共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。
isHeldExclusively	该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

如果你需要实现一个自己的同步器，一般情况下只要继承 AQS ，并重写 AQS 中的这个几个方法就行了。至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。要不怎么说Doug Lea贴心呢。

需要注意的是：如果你没在子类中重写这几个方法就直接调用了，会直接抛出异常。所以，在你调用这些方法之前必须重写他们。不使用的话可以不重写。

AQS 提供的一系列模板方法

查看 AQS 的源码我们就可以发现这个类提供了很多方法，看起来让人“眼花缭乱”的。但是最主要的两类方法就是获取资源的方法和释放资源的方法。因此我们抓住主要矛盾就行了：

• public final void acquire(int arg) // 独占模式的获取资源
• public final boolean release(int arg) // 独占模式的释放资源
• public final void acquireShared(int arg) // 共享模式的获取资源
• public final boolean releaseShared(int arg) // 共享模式的释放资源

acquire(int)方法

该方法以独占方式获取资源，如果获取到资源，线程继续往下执行，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。该方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。

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

下面分析下这个acquire方法的具体执行流程：

step1：首先这个方法调用了用户自己实现的方法tryAcquire方法尝试获取资源，如果这个方法返回true，也就是表示获取资源成功，那么整个acquire方法就执行结束了，线程继续往下执行；

step2：如果tryAcquir方法返回false，也就表示尝试获取资源失败。这时acquire方法会先调用addWaiter方法将当前线程封装成Node类并加入一个FIFO的双向队列的尾部。

step3：再看acquireQueued这个关键方法。首先要注意的是这个方法中哪个无条件的for循环，这个for循环说明acquireQueued方法一直在自旋尝试获取资源。进入for循环后，首先判断了当前节点的前继节点是不是头节点，如果是的话就再次尝试获取资源，获取资源成功的话就直接返回false（表示未被中断过）

假如还是没有获取资源成功，判断是否需要让当前节点进入waiting状态，经过 shouldParkAfterFailedAcquire这个方法判断，如果需要让线程进入waiting状态的话，就调用LockSupport的park方法让线程进入waiting状态。进入waiting状态后，这线程等待被interupt或者unpark（在release操作中会进行这样的操作，可以参见后面的代码）。这个线程被唤醒后继续执行for循环来尝试获取资源。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //首先判断了当前节点的前继节点是不是头节点，如果是的话就再次尝试获取资源，
                //获取资源成功的话就直接返回false（表示未被中断过）
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                //判断是否需要让当前节点进入waiting状态
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    // 如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
                    // 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

以上就是acquire方法的简单分析。

单独看这个方法的话可能会不太清晰，结合ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、 CountDownLatch、Semaphore和LimitLatch等同步工具看这个代码的话就会好理解很多。

release(int)方法

release(int)方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

//上面已经讲过了，需要用户自定义实现
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

与acquire()方法中的tryAcquire()类似，tryRelease()方法也是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。

但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

unparkSuccessor(Node)方法用于唤醒等待队列中下一个线程。这里要注意的是，下一个线程并不一定是当前节点的next节点，而是下一个可以用来唤醒的线程，如果这个节点存在，调用unpark()方法唤醒。

总之，release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。（需要注意的是队列中被唤醒的线程不一定能立马获取资源，因为资源在释放后可能立马被其他线程（不是在队列中等待的线程）抢掉了）

acquireShared(int)方法

acquireShared(int)方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。

public final void acquireShared(int arg) {
    //tryAcquireShared需要用户自定义实现
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

可以发现，这个方法的关键实现其实是获取资源失败后，怎么管理线程。也就是doAcquireShared的逻辑。

//不响应中断
private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

可以看出，doAcquireShared的逻辑和acquireQueued的逻辑差不多。将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。

简单总结下acquireShared的流程：

step1：tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；

step2：失败则通过doAcquireShared()进入等待队列park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。

releaseShared(int)方法

releaseShared(int)方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

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

释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。

参考

• https://segmentfault.com/a/1190000015562787
• https://www.jianshu.com/p/da9d051dcc3d
• 《Java并发编程之美》