JUC并发编程基石AQS源码之结构篇

前言

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)算是JUC包中最重要的一个类了，如果你想了解JUC提供的并发编程工具类的代码逻辑，这个类绝对是你绕不过的。我相信如果你是第一次看AQS源码肯定是一脸懵逼，一个个方法跳来跳去一会就绕蒙了。所以把整个代码骨架搞明白是你看懂AQS源码的第一步。本篇文章只说代码结构，之后的篇章会讲解AQS具体的执行逻辑。

顶级接口Lock

public interface Lock {

    void lock();
  
    void unlock();

    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

    boolean tryLock();

    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    Condition newCondition();
}

我们一直强调面向接口编程的思想，看源码也是先从接口入手。Lock算是JUC提供的锁中的顶级接口，我们平常使用的ReentrantLock、ReadWriteLock等直接或间接的都实现了这个接口。这个接口主要是用来规定我们怎样去加锁和解锁，将加锁和解锁的方法暴露出去。下面的伪代码是一个典型的加锁解锁方式，多么简单，这就是面向接口的艺术。

 Lock l = ...;
 l.lock();
 try {
   // 自己的逻辑代码
 } finally {
   l.unlock();
 }

代码结构

到现在我们知道了怎么加锁和解锁的方式，下一步自己通过接口去实现一个加锁类。这个比你直接看源码更重要。Doug Lea（AQS源码作者）大神在AQS类注解上就给我们提供了一个示例类Mutex。看源码类注解和方法注解也是你理解源码的一个重要渠道，还可以锻炼自己的英文。

实现Lock接口

首先要实现Lock接口，将加锁和解锁方法暴露出去。我们以加锁为例

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

代码很简单，调用了sync.acquire(1)方法，所以这个方法是加锁逻辑的入口，往下看

内部类继承AQS

现在将加锁方法暴露出去了，具体的加锁逻辑则需要AQS类了。AQS是一个抽象类，我们要使用它则需要继承，实现抽象方法。AQS加锁采用的是模板的设计模式，加锁以及锁失败的后续处理的整体流程代码已经实现，我们只需要实现我们需要的具体加锁方式即可。

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {

   // The sync object does all the hard work. We just forward to it.
    private final Sync sync = new Sync();
  
    // 内部类继承AQS
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        // 实现抽象方法
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1; // Otherwise unused
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }  
    }
}

我们会发现Sync继承了AQS，但是没有sync.acquire()这个方法，那么这个方法肯定来源于父类了。

AQS的acquire方法

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer{
  
  //加锁的入口方法，模板的设计模式
  public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
          acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }
	
  //具体的加锁逻辑，需要自己实现
	protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

acquire方法定义了整个的加锁流程，而且使用了设计模式中的模板模式。

整体调用流程

从上面的流程可以看出，就这四个步骤就涉及到了三个类

• Mutex.lock为暴露出去的加锁方法

• AQS.acquire是加锁的模板方法，实现了加锁逻辑的整个流程

• Sync.tryAcquire，图中的绿色部分，是一个抽象方法需要自己实现，针对不同的锁类型如公平锁、非公平锁、共享锁、独占锁等有不同的实现方式。

• AQS.acquireQueued是加锁失败后的逻辑，将线程入队，这个后面讲AQS源码会重点讲。

  解锁操作的流程和加锁类似，读者可以自己看一下解锁的流程。

自定义加锁类的源码

下面的代码是Mutex类的整体代码，有需要的可以在自己的IDE中感受一下整体的结构。

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {

    public static void main(String[] args) {
        Lock lock = new Mutex();
        lock.lock();
        try {

        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

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

    // Our internal helper class
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // Reports whether in locked state
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // Acquires the lock if state is zero
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1; // Otherwise unused
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        // Releases the lock by setting state to zero
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1; // Otherwise unused
            if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        // Provides a Condition
        Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }

        // Deserializes properly
        private void readObject(ObjectInputStream s)
                throws IOException, ClassNotFoundException {
            s.defaultReadObject();
            setState(0); // reset to unlocked state
        }
    }

    // The sync object does all the hard work. We just forward to it.
    private final Sync sync = new Sync();

    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }

    public boolean hasQueuedThreads() {
        return sync.hasQueuedThreads();
    }

    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }
}

下一篇我们将根据上面所说的来分析ReentrantLock类的代码结构

如有不实，还望指正