Java并发之AQS原理剖析
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2021-06-09 06:48
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作者 | Yanci丶
来源 | urlify.cn/IFJ3Mb
概述：
AbstractQueuedSynchronizer，可以称为抽象队列同步器。
AQS有独占模式和共享模式两种：
独占模式：
公平锁：
非公平锁：
共享模式：
数据结构：
基本属性：
/**
* 同步等待队列的头结点
*/
private transient volatile Node head;
/**
* 同步等待队列的尾结点
*/
private transient volatile Node tail;
/**
* 同步资源状态
*/
private volatile int state;
内部类：
static final class Node {
/**
* 标记节点为共享模式
*/
static final Node SHARED = new Node();
/**
* 标记节点为独占模式
*/
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;
/**
* CANCELLED: 值为1，表示当前的线程被取消
* SIGNAL: 值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark；
* CONDITION: 值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；
* PROPAGATE: 值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；
* 0: 表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
* 表示当前节点的状态值
*/
volatile int waitStatus;
/**
* 前置节点
*/
volatile Node prev;
/**
* 后继节点
*/
volatile Node next;
/**
* 节点同步状态的线程
*/
volatile Thread thread;
/**
* 存储condition队列中的后继节点
*/
Node nextWaiter;
/**
* 是否为共享模式
*/
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
/**
* 获取前驱结点
*/
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
主要方法解析：
tryAcquire/tryAcquireShared(int arg)
独占/共享模式获取锁；由子类实现，仅仅获取锁，获取锁失败时不进行阻塞排队。
tryRelease/tryReleaseShared(int arg)
独占/共享模式释放锁；由子类实现，仅仅释放锁，释放锁成功不对后继节点进行唤醒操作。
acquire/acquireShared(int arg)
独占/共享模式获取锁，如果线程被中断唤醒，会返回线程中断状态，不会抛异常中止执行操作（忽略中断）。
acquireInterruptibly/acquireSharedInterruptibly(int arg)
独占/共享模式获取锁，线程如果被中断唤醒，则抛出InterruptedException异常（中断即中止）。
tryAcquireNanos/tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
独占/共享时间中断模式获取锁，线程如果被中断唤醒，则抛出InterruptedException异常（中断即中止）；如果超出等待时间则返回加锁失败。
release/releaseShared(int arg)
独占/共享模式释放锁。
addWaiter(Node mode)
将给定模式节点进行入队操作。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 根据指定模式，新建一个当前节点的对象
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
// 将当前节点的前置节点指向之前的尾结点
node.prev = pred;
// 将当前等待的节点设置为尾结点（原子操作）
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 之前尾结点的后继节点设置为当前等待的节点
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
enq(final Node node)
将节点设置为尾结点。注意这里会进行自旋操作，确保节点设置成功。因为等待的线程需要被唤醒操作；如果操作失败，当前节点没有与其他节点没有引用指向关系，一直就不会被唤醒（除非程序代码中断线程）。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 判断尾结点是否为空，尾结点初始值是为空
if (t == null) { // Must initialize
// 尾结点为空，需要初始化
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
// 设置当前节点设置为尾结点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
acquireQueued(final Node node, int arg)
已经在队列当中的节点，准备阻塞获取锁。在阻塞前会判断前置节点是否为头结点，如果为头结点；这时会尝试获取下锁（因为这时头结点有可能会释放锁）。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 当前节点的前置节点
final Node p = node.predecessor();
// 入队前会先判断下该节点的前置节点是否是头节点（此时头结点有可能会释放锁）；然后尝试去抢锁
// 在非公平锁场景下有可能会抢锁失败，这时候会继续往下执行 阻塞线程
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//如果抢到锁，将头节点后移（也就是将该节点设置为头结点）
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 如果前置节点不是头结点，或者当前节点抢锁失败；通过shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该阻塞
// 当前置节点的状态为SIGNAL=-1，才可以安全被parkAndCheckInterrupt阻塞线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 该线程已被中断
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
检查和更新未能获取锁节点的状态，返回是否可以被安全阻塞。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; // 获取前置节点的状态
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* 前置节点的状态waitStatus为SIGNAL=-1，当前线程可以安全的阻塞
*/
return true;
if (ws > 0) {
/*
* 如果前置节点的状态waitStatus>0，即waitStatus为CANCELLED=1（无效节点），需要从同步状态队列中取消等待（移除队列）
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* 将前置状态的waitStatus修改为SIGNAL=-1，然后当前节点才可以被安全的阻塞
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt()
阻塞当前节点，返回当前线程的中断状态。
1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
2 LockSupport.park(this); //阻塞
3 return Thread.interrupted();
4 }
cancelAcquire(Node node)
取消进行的获取锁操作，在非忽略中断模式下，线程被中断唤醒抛异常时会调用该方法。
// 将当前节点的状态设置为CANCELLED，无效的节点，同时移除队列
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
}
}
hasQueuedPredecessors()
判断当前线程是否应该排队。
1.第一种结果——返回true：（1.1和1.2同时存在，1.2.1和1.2.2有一个存在）
1.1 h != t为true，说明头结点和尾结点不相等，表示队列中至少有两个不同节点存在，至少有一点不为null。
1.2 ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread())为true
1.2.1 (s = h.next) == null为true，表示头结点之后没有后续节点。
1.2.2 (s = h.next) == null为false，s.thread != Thread.currentThread()为true
表示头结点之后有后续节点，但是头节点的下一个节点不是当前线程
2.第二种结果——返回false，无需排队。（2.1和2.2有一个存在）
2.1 h != t为false，即h == t；表示h和t同时为null或者h和t是同一个节点，无后续节点。
2.2 h != t为true，((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread())为false
表示队列中至少有两个不同节点存在，同时持有锁的线程为当前线程。
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
