【JDK】JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3)

概述

前文「JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(2)」分析了 AQS 在独占模式下获取资源的流程，本文分析共享模式下的相关操作。

其实二者的操作大部分是类似的，理解了前面对独占模式的分析，再分析共享模式就相对容易了。

共享模式

方法概述

与独占模式类似，共享模式下也有与之类似的相应操作，分别如下：

1. acquireShared(int arg): 以共享模式获取资源，忽略中断；

2. acquireSharedInterruptibly(int arg): 以共享模式获取资源，响应中断；

3. tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout): 以共享模式获取资源，响应中断，且有超时等待；

4. releaseShared(int arg): 释放资源，唤醒后继节点，并确保传播。

它们的操作与独占模式也比较类似，下面具体分析。

方法分析

1. 共享模式获取资源（忽略中断）

acquireShared:

public final void acquireShared(int arg) {
    // 返回值小于 0，表示获取失败
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

// 尝试以共享模式获取资源（返回值为 int 类型）
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

与独占模式的 tryAcquire 方法类似，tryAcquireShared 方法在 AQS 中也抛出异常，由子类实现其逻辑。

不同的地方在于，tryAcquire 方法的返回结果是 boolean 类型，表示获取成功与否；而 tryAcquireShared 的返回结果是 int 类型，分别为：

1) 负数：表示获取失败；

2) 0：表示获取成功，但后续共享模式的获取会失败；

3) 正数：表示获取成功，后续共享模式的获取可能会成功（需要进行检测）。

若 tryAcquireShared 获取成功，则直接返回；否则执行 doAcquireShared 方法：

private void doAcquireShared(int arg) {
    // 把当前线程封装成共享模式的 Node 节点，插入主队列末尾
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        // 中断标志位
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            // 若前驱节点为头节点，则尝试获取资源
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                // 这里表示当前线程成功获取到了资源
                if (r >= 0) {
                    // 设置头节点，并传播状态（注意这里与独占模式不同）
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 是否应该休眠（与独占模式相同，不再赘述）
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            // 取消操作（与独占模式相同）
            cancelAcquire(node);
    }
}

doAcquireShared 方法会把当前线程封装成一个共享模式（SHARED）的节点，并插入主队列末尾。addWaiter(Node mode) 方法前文已经分析过，不再赘述。

该方法与 acquireQueued 方法的区别在于 setHeadAndPropagate 方法，把当前节点设置为头节点之后，还会有传播（propagate）行为：

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    // 记录旧的头节点
    Node h = head; // Record old head for check below
    // 将 node 设置为头节点
    setHead(node);
    /*
     * Try to signal next queued node if:
     *   Propagation was indicated by caller,
     *     or was recorded (as h.waitStatus either before
     *     or after setHead) by a previous operation
     *     (note: this uses sign-check of waitStatus because
     *      PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)
     * and
     *   The next node is waiting in shared mode,
     *     or we don't know, because it appears null
     *
     * The conservatism in both of these checks may cause
     * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple
     * racing acquires/releases, so most need signals now or soon
     * anyway.
     */
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        // 后继节点为空或共享模式唤醒
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

doReleaseShared:

private void doReleaseShared() {
    /*
     * Ensure that a release propagates, even if there are other
     * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual
     * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
     * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
     * ensure that upon release, propagation continues.
     * Additionally, we must loop in case a new node is added
     * while we are doing this. Also, unlike other uses of
     * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
     * fails, if so rechecking.
     */
    for (;;) {
        // 这里的头节点已经是上面设置后的头节点了
        Node h = head;
        // 由于该方法有两个入口（setHeadAndPropagate 和 releaseShared），需考虑并发控制
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 唤醒后继节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        // 若头节点不变，则跳出循环；否则继续循环
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

该方法与独占模式下的获取方法 acquire 大体相似，不同在于该方法中，节点获取资源后会传播状态，即，有可能会继续唤醒后继节点。值得注意的是：该方法有两个入口 setHeadAndPropagate 和 releaseShared，可能有多个线程操作，需考虑并发控制。

此外，本人对于将节点设置为 PROPAGATE 状态的理解还不是很清晰，网上说法也不止一种，待后续研究明白再补充。

2. 以共享模式获取资源（响应中断）

该方法与 acquireShared 类似：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

tryAcquireShared 方法前面已分析，若获取资源失败，则会执行 doAcquireSharedInterruptly 方法：

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 把当前线程封装成共享模式节点，并插入主队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 与 doAcquireShared 相比，区别在于这里抛出了异常
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

从代码可以看到，acquireSharedInterruptibly 方法与 acquireShared 方法几乎完全一样，不同之处仅在于前者会抛出 InterruptedException 异常响应中断；而后者仅记录标志位，获取结束后才响应。

3. 以共享模式获取资源（响应中断，且有超时）

代码如下（该方法可与前文独占模式下的超时获取方法比较分析）：

public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
        doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

doAcquireSharedNanos: 

private boolean doAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return true;
                }
            }
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

该方法可与独占模式下的超时等待方法 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) 进行对比，二者操作基本一致，不再详细分析。

4. 释放资源，唤醒节点，传播状态

如下：

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

tryReleaseShared:

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

doReleaseShared() 方法前面已经分析过了。本方法与独占模式的 release 方法类似，不同的地方在于“传播”二字。

场景分析

为了便于理解独占模式和共享模式下队列和节点的状态，下面简要举例分析。

场景如下：有 T0~T4 共 5 个线程按先后顺序获取资源，其中 T2 和 T3 为共享模式，其他均为独占模式。

就此场景分析：T0 先获取到资源（假设占用时间较长），而后 T1~T4 再获取则失败，会依次进入主队列。此时主队列中各个节点的状态示意图如下：

之后，T0 操作完毕并释放资源，会将 T1 唤醒。T1(独占模式) 会从 acquireQueued(final Node node, int arg) 方法的循环中继续获取资源，这时会获取成功，并将 T1 设置为头节点（T 被移除）。此时主队列节点示意图如下：

此时，T1 获取到资源并进行相关操作。

而后，T1 操作完释放资源，并唤醒下一个节点 T2，T2(共享模式) 继续从 doAcquireShared(int) 方法的循环中执行。此时 T2 获取资源成功，将自身设为头节点（T1 被移除），由于后继节点 T3 也是共享模式，因此 T1 会继续唤醒 T3；T3 唤醒后的操作与 T2 相同，但后继节点 T4 不是共享模式，因此不再继续唤醒。此时队列节点状态示意图如下：

此时，T2 和 T3 同时获取到资源。

之后，当二者都释放资源后会唤醒 T4：

T4 获取资源的与 T1 类似。

PS: 该场景仅供参考，只为便于理解，若有不当之处敬请指正。

小结

本文分析了以共享模式获取资源的三种方式，以及释放资源的操作。分别为：

1. acquireShared: 共享模式获取资源，忽略中断；

2. acquireSharedInterruptibly: 共享模式获取资源，响应中断；

3. tryAcquireSharedNanos: 共享模式获取资源，响应中断，有超时；

4. releaseShared: 释放资源，唤醒后继节点，并确保传播。

并简要分析一个场景下主队列中各个节点的状态。此外，AQS 中还有嵌套类 ConditionObject 及条件队列的相关操作，后面涉及到的时候再进行分析。

单独去分析 AQS 的源码比较枯燥，后文会结合 ReentrantLock、CountdownLatch 等常用并发工具类的源码进行分析。

上述解析是参考其他资料及个人理解，若有不当之处欢迎指正。

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JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(1) 

Stay hungry, stay foolish.

PS: 本文首发于微信公众号【WriteOnRead】。