盘一盘 AQS和ReentrantLock

AQS是个啥？

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java并发用来构建锁和其他同步组件的基础框架。许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/ReentrantReadWriterLock/CountDownLatch等

 

AQS提供了独占(Exclusive)以及共享(Share)两种资源共享方式：

acquire(acquireShare)/release(releaseShare)。 

acquire：获取资源，如果当前资源满足条件，则直接返回，否则挂起当前线程，将该线程加入到队列排队。

release：释放资源，唤醒挂起线程

 

 

AQS队列

AQS队列示意图

AQS队列中的主要属性

//  等待队列头部
private transient volatile Node head;

// 等待队列尾部
private transient volatile Node tail;

// 锁的状态（加锁成功则为1，解锁为0，重入再+1）
private volatile int state;

//  当前持有锁的线程，注意这个属性是从AbstractOwnableSynchronizer继承而来
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

Node类中的主要属性

static final class Node {
    // 标记表示节点正在共享模式中等待
    static final Node SHARED = new Node();
    // 标记表示节点正在独占模式下等待
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    // 节点的等待状态 还有一个初始化状态0 不属于以下四种状态
    // 表示Node所代表的当前线程已经取消了排队，即放弃获取锁
    static final int CANCELLED =  1;
    // 当一个节点的waitStatus被置为SIGNAL，就说明它的下一个节点（即它的后继节点）已经被挂起了（或者马上就要被挂起了），
    // 只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行
    static final int SIGNAL    = -1;
    // 节点在等待队列中
    // 当其他线程对Condition调用了signal()后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
    static final int CONDITION = -2;
    // 表示下一次共享式同步状态获取，将会无条件地传播下去
    static final int PROPAGATE = -3;

    // 节点等待状态，该字段初始化为0，
    volatile int waitStatus;

        // 当前节点的前置节点
    volatile Node prev;

    // 当前节点的后置节点
    volatile Node next;

        // 在此节点上排队的线程信息
    volatile Thread thread;
}

ReentrantLock实现

在引入ReentrantLock实现前，我先来科普一下 util.concurrent包的作者Doug Lea，相比较其他而言，并发包的源码阅读难度较大。脸上永远挂着谦逊腼腆笑容的Doug Lea先生使用了大量相对复杂的逻辑判断，比如一个判断条件中执行多个或且方法，让你很难跟上他的节奏，很难揣摩他的设计思想。小声逼逼，还不是我太菜了，留下来没有技术的泪水。

继承关系图

ReentrantLock是Lock接口的一个实现类，是一种可重入的独占锁。

ReentrantLock内部通过内部类实现了AQS框架(AbstractQueuedSynchronizer)的API来实现独占锁的功能。

主要属性

private final Sync sync;

// 公平锁内部是FairSync,非公平锁内部是NonfairSync。
// 两者都通过继承 Sync间接继承自AbstractQueuedSynchronizer这个抽象类
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
    
    // 加锁
    abstract void lock();

    // 尝试获取锁
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 尝试释放锁
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

构造方法

//默认创建一个非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

//传入true创建公平锁，false非公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock公平锁

我们以公平锁为例对其中重要方法源码分析

// 继承了 Sync，从而间接继承了 AbstractQueuedSynchronizer这个抽象类
static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

       // 上锁
    final void lock() {
        //调用 AQS 中 acquire方法
        acquire(1);
    }

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
                // CAS操作设置 state
                // 设置当前线程为拥有锁的线程
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }

        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

acquire方法源码分析

public final void acquire(int arg) {
    // tryAcquire(arg)尝试加锁，如果加锁失败则会调用acquireQueued方法加入队列去排队，如果加锁成功则不会调用
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

acquire方法干了这么几件事情

1、tryAcquire() 尝试获取资源，如果成功则直接返回；

2、addWaiter() 将该线程加入等待队列， 更新AQS队列链信息

3、acquireQueued() 使线程在等待队列中获取资源，直到获取资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。

4、selfInterrupt() 自我中断，如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后再将中断补上。

 

tryAcquire方法

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 获取当前线程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取lock对象的上锁状态，如果锁是自由状态则=0，如果被上锁则为1，大于1表示重入
    int c = getState();

    // c=0 代表没人占用锁，当前线程可以直接获取锁资源执行
    if (c == 0) {
        // 下面介绍hasQueuedPredecessors()方法，判断自己是否需要排队
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            // CAS操作设置 state
            // 设置当前线程为拥有锁的线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }

    // 非重入锁直接返回false，加锁失败
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 若为重入锁, state 加1 (acquires)
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

hasQueuedPredecessors方法

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    // 获取队列头、尾节点信息
    Node t = tail; 
    Node h = head;
    Node s;
    // h != t 有几种情况
    // 1、队列尚未初始化完成，第一个线程获取锁资源，
    //    此时h和t都是null, h != t返回fasle初始化队列
    // 2、队列已经被初始化了，其他的线程尝试获取资源，
    //    此时头尾节点不相同，h!=t返回true，
    //    继续判断s.thread != Thread.currentThread() 当前来参与竞争锁的线程和第一个排队的线程是同一个线程,则需要排队。
    // 3、队列已经被初始化了，但是由于锁释放的原因导致队列里面只有一个数据
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

addWaiter方法

private Node addWaiter(Node mode) {
    // AQS队列中的元素类型为Node，需要把当前线程封装成为一个Node对象
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    // tail为队尾，赋值给pred
    Node pred = tai
    // 判断pred是否为空，其实就是判断队尾是否有节点，其实只要队列被初始化了队尾肯定不为空，
    if (pred != null) {
        // 拼装node队列链的过程
        // 直接把当前线程封装的node的上一个节点设置成为pred即原来的队尾
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            // pred的下一个节点设置为当node
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }

    // 拼接aqs队列链
    enq(node);
    return node;
}


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

acquireQueued方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标记是否成功拿到资源
    boolean failed = true;
    try {
        // 标记等待过程中是否被中断过
        boolean interrupted = false;
        // 自旋
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 判断自己是否为队列中的第二个节点
            // 成为队列中第二个节点才有资格获取资源
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                // 返回等待过程中是否被中断过
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

公平锁和非公平锁的主要区别

为了方便对比，在这里列举了两种锁的上锁过程源码，注意红色标识片段

// 公平锁上锁过程
final void lock() {
    //调用 AQS 中 acquire方法
    acquire(1);
}　　

// 非公平锁上锁过程
final void lock() {
    // 尝试获取锁，加锁不成功则排队。排队之前仅有的一次插队机会。
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

总结

1、如果第一个线程尝试获取资源时，此时和AQS队列无关，线程直接持有锁。并且不会初始化队列，如果接下来的线程都是交替执行，那么和AQS队列永远无关，均为线程直接持有锁。

2、在线程发生资源竞争的情况下，才会初始化AQS队列，AQS队列的头部永远是一个虚拟的Thread为NULL的node。

3、未能获取到资源的线程将会处于park状态，此时只有队列中第二个node等待被唤醒，尝试去获取资源。其他node并不去竞争资源，这也是AQS队列的精髓所在，减少了CPU的占用。

4、公平锁的上锁是必须判断自己是不是需要排队；而非公平锁是直接进行CAS修改计数器看能不能加锁成功；如果加锁不成功则乖乖排队(调用acquire)；所以不管公平还是不公平；只要进到了AQS队列当中那么他就会排队；一朝排队；永远排队！