AbstractQueuedSynchronizer(AQS)源码解析

      关于AQS的源码解析，本来是没有打算特意写一篇文章来介绍的。不过在写本学期课程作业中，有一门写了关于AQS的，而且也画了一些相关的图，所以直接拿过来分享一下,如有错误欢迎指正。
      然后基本简介也都不介绍了，网上一大堆，这里就直接进行源码的分析了。

AQS基本属性

      
      AQS属性简介：

属性	类型	详解
Head	Node类型	持有锁的线程结点，也是队列中的头结点
Tail	Node类型	阻塞队列中的尾结点，同时每一个新的结点进来，都插入到阻塞队列的最后。
State	int类型	大于等于0。代表当前锁的状态。0代表没有线程占用当前锁，大于0代表有线程持有锁。
exclusiveOwnerThread(继承自AOS)	Thread类型	代表独占锁的线程。

      AQS的具体结构如下图所示:

      在AQS链表中，将每一个线程包装成Node实例，并通过链表的形式链接保存,在链式结构中，节点通过next和prev分别与前驱节点和后置节点相连接。其中head节点表示为当前持有锁的线程，不在阻塞队列中。tail节点为链表中最后一个节点，当有新的节点被添加到链表中后，AQS会将tail引用指向最后一个被添加进链表的节点。

AQS中Node内部类

      
      Node属性简介：

字段	简介	字段	简介
SHARE	标识节点当前在共享模式下	EXCLUSIVE	标识节点当前在独占模式下
CANCELLED	标识当前节点所表示的线程已取消抢锁	SIGNAL	标识当前节点需要在释放锁后唤醒后继节点
CONDITION	与ConditionObject内部类有关	waitStatue	取值为以上几种状态
prev	代表当前节点的前驱节点	next	代表当前节点的后继节点
thread	代表当前节点所表示的线程

1 加锁

      这里以一个锁的具体使用方法对AQS类进行详细的分析：

      首先，线程先对锁对象进行获取操作，如果当前需要获取的锁对象并没有其他线程所持有，成功获取到了锁，将执行相关的业务代码，执行完毕后，对锁资源进行释放，以便其他线程所使用。如果当前线程获取锁资源失败，说明锁资源有其他线程在使用，当前线程将进行阻塞状态，等待再次获取锁资源。

1.1 AQS中如何获取锁

以java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.java文件中的公平锁为例：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
#java.util.concurrent.locks.ReentrantLock中第220行
static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);  #调用了AQS中的方法
        }
...
}
================AQS====================
#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第1197行
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

      在lock()方法中，线程首先尝试抢锁tryAcquire(1)，如果抢锁成功则直接返回true,代表当前线程已持有锁资源，否则返回false，进行下一次抢锁动作。
      当线程抢锁失败后，AQS将将当前线程封装成Node节点，并添加到阻塞队列。之后将从阻塞队列中依次取出等待锁的Node节点，并再次尝试获取锁.如果再次获取锁失败，则使当前线程自己中断自己。

1.2 尝试获取锁资源

      首先获取锁的状态，判断当前是否有线程持有锁,这里分为两种情况：

• 如果当前并没有线程持有锁资源，则判断阻塞队列中是否有节点排在当前节点的前面等待获取锁资源。这里分为两种情况：

  • 如果有其他线程在等待获取锁资源，则进行等待
  • 如果没有其他线程在等待获取锁资源，表明当前线程是第一个等待获取锁的线程，随后尝试对锁资源进行获取，如果成功获取到锁资源则将当前线程设置为独占锁的线程，同时返回true.

• 如果当前有线程持有锁，则进行判断是否是当前线程所持有锁资源，这是分为两种情况：

  • 锁资源被当前线程所持有，则表明是重入锁，随后将获取锁的次数加一，返回true.
  • 持有锁资源并不是当前线程，返回false.

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.ReentrantLock中第231行
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            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;
}

1.3 判断阻塞队列中是否有其他节点

      在线程获取锁之前，首先判断阻塞队列中是否有其他节点，如果有其他节点则放弃抢锁。
首先获取AQS链表中的头节点与尾节点，分别进行判断：

• 头节点是否等于尾节点
  • 如果头节点等于尾节点说明阻塞队列为空，没有其他节点返回false
• 如果头节点不等于尾节点，则判断头节点的后置节点是否为空
  • 如果头节点的后置节点不为空，则说明阻塞队列不为空，则判断阻塞队列中第一个节点线程是否为当前线程
    • 如果是当前线程说明阻塞队列中没有其他节点返回false。
    • 如果不是当前线程说明阻塞队列中有其他节点，返回true.

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第1512行
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; 
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

1.4 将当前线程添加到阻塞队列

      如果当前线程抢锁失败则通过AQS将当前线程包装成Node节点添加进阻塞队列。

1. 将当前线程以独占锁的模式包装成Node节点。

2. 将当前节点添加进阻塞队列。分两种情况：

   • 阻塞队列中尾节点不为空。
     • 将尾节点置为当前节点的前驱节点，通过CAS操作将当前节点置为尾节点。
       • 如果成功，则将之前尾结点的后置引用指向当前节点，将当前节点返回。
       • 如果存在另一节点提前完成上一步操作，则进行入队操作。
   • 阻塞队列中尾节点为空，则进行入队操作。

3. 入队操作结束将当前节点返回。

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第605行
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

1.5 入队操作

      这一步将当前节点添加到阻塞队列中。
      首先获取阻塞队列中的尾节点，判断是否为空，有两种情况：

• 阻塞队列中尾节点为空，则初始化阻塞队列，将头节点设置为尾节点，
  再次获取尾节点，判断是否为空。
• 阻塞队列中尾节点不为空，则将尾节点设置为当前节点的前驱节点。
  通过CAS将当前节点设置为尾节点。这里有两种情况：
  • 如果成功，则将之前尾结点的后置引用指向当前节点，将当前节点的前驱节点返回。
  • 存在另一节点提前完成上一步操作，则再次获取阻塞队列中的尾节点，判断是否为空。

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第583行
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

1.6 抢锁或将线程挂起

      到达这一步说明节点已进入阻塞队列，节点尝试获取锁或者进行挂起操作。

1. 获取当前节点的前驱节点
2. 判断前驱节点是否为头节点，这里有两种情况：
   • 前驱节点为头节点，说明当前节点前面没有节点在等待获取锁资源，只需要等待前驱节点释放锁资源。所以可以尝试抢锁，这里有两种情况：
     • 抢锁成功，则将当前节点设置为头节点，将当前节点前驱节点的后置引用设置为空，返回false
     • 抢锁失败，说明头节点还没有释放锁资源，此时将当前节点挂起。这里有两种情况：
       • 如果挂起成功，则线程等待被唤醒，唤醒之后再次判断前驱节点是否为头节点。
       • 如果挂起失败，再次判断前驱节点是否为头节点。
   • 前驱节点不是头节点，说明当前节点前面有其他节点在等待获取锁资源，此时将当前节点挂起。
3. 如果在挂起阶段发生异常，则取消抢锁。
4. 这里为无限循环，直到线程获取到锁资源或者取消抢锁才会退出循环。

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第857行
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
            }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

1.7 判断是否应该挂起当前线程

      当线程暂时获取不到锁资源时，判断是否应该挂起当前线程。
      首先获取当前节点的前驱节点的状态，这里有三种情况：
* 前驱节点的状态为SIGNAL。其中，SIGNAL表明该节点在释放锁资源后应该将后置节点唤醒。返回true。
* 前驱节点的状态为CANCELLED。CANCELLED表明该节点已取消抢锁，此时将从当前节点开始向前寻找，直到找到一个节点的状态不为CANCELLED，然后将他设置为当前节点的前驱节点。之后返回false.
* 如果前驱节点的状态不是以上两种情况，则通过CAS将前驱节点的状态设置为SIGNAL，之后返回false。

流程图如下:

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第795行
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

1.8 挂起当前线程

      将当前线程挂起，当线程被唤醒后将线程的中断状态返回.
源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第835行
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

2 解锁

2.1 解锁操作

      尝试释放锁资源，这里有两种情况：

• 成功释放锁资源，获取到AQS链表中头节点，判断头节点是否为空，这里有两种情况：
  • 如果头节点为空，说明没有节点持有锁资源，返回true.
  • 如果头节点不为空，判断头节点状态是否为0：
    • 如果头节点状态为0，说明阻塞队列中没有线程在等待获取锁，返回true.
    • 如果头节点状态不为0，则将阻塞队列中第一个等待获取锁资源的线程唤醒。随后返回ture.

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.ReentrantLock中第456行
public void unlock() {
    sync.release(1);
}
==============================
#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第1260行
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

2.2 唤醒后置节点

      当持有锁的节点执行相关代码完成后，需要释放锁资源并唤醒后置节点。

1. 首先获取头节点的状态，如果小于0则通过CAS将状态设置为0.
2. 获取头节点的后置节点，这里有两种情况：
   • 如果头节点的后置节点为空或者头节点的后置节点的状态大于0，则将头节点的后置节点置为空，同时从AQS链表的尾节点向前搜索，直到找到最后一个节点状态小于等于0的节点，将该节点唤醒。
   • 如果头节点的后置节点不为空，则直接将该节点唤醒。

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第638行
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    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);
}

2.3 取消抢锁

      当线程由于异常或某些特殊情况的发生，需要取消对锁资源的获取，将执行取消抢锁操作。

1. 如果需要取消抢锁的节点为空，则直接返回。
2. 否则将节点所包装的线程置为空。
3. 获取节点的前驱节点，判断前驱节点的状态是否大于0，如果大于0则一直向前找，直到找到一个节点的状态小于等于0，将该节点设置为当前节点的前驱节点。
4. 获取当前节点的后置节点。
5. 将当前节点的状态设置为CANCELLED。
6. 判断当前节点是否为尾节点，这里有两种情况：
   • 如果当前节点是尾节点，则将当前节点的前驱节点设置为尾节点，
     同时将后置引用设置为空。
   • 如果当前节点不是尾节点，判断当前节点的前驱节点是否为头节
     点。这里有两种情况：
     • 如果当前节点的前驱节点是头节点，则将当前节点唤醒。
     • 如果当前节点的前驱节点不是头节点，则判断该节点状态是否为SIGNAL，如果为SIGNAL，则将该节点的后置引用指向当前节点的后置节点。
   • 断开当前节点与链表的连接。

流程图如下：

源码：

#java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer中第742行
private void cancelAcquire(Node node) {
    if (node == null)
        return;
    
    node.thread = null;

    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    Node predNext = pred.next;

    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        int ws;
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
            (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
            compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            unparkSuccessor(node);
        }

        node.next = node; // help GC
    }
}

      其实到这里还有一些内容并没有分析完，以后再补上好了。