精通Java并发编程N：深入理解AQS的实现原理、源码分析

文章目录

• ​​一、AQS原理​​

• ​​1、AQS是什么？​​
• ​​2、AQS的核心：CLH队列​​
• ​​3、以独占锁同步状态的获取和释放为例：​​
• ​​4、从具体的代码实现来看​​

• ​​1）互斥锁​​

• ​​**<1>** `acquire()`获取互斥锁​​
• ​​**<2>** `release()`释放互斥锁​​

• ​​2）共享锁​​

• ​​<3> `acquireShared()`获取共享锁​​
• ​​<4> `releaseShared()`释放共享锁​​

• ​​5、面试题2：AQS中线程Node节点的PROPAGATE状态是什么意思？​​

• ​​二、AQS源码分析​​

• ​​1、acquire()获取互斥锁​​

• ​​1> addWaiter()方法​​

• ​​1）面试题3：为什么CAS可以保证线程安全？​​
• ​​2）面试题4：是否存在通过head引用遍历不到最后一个节点的情况？​​

• ​​2> acquireQueued()方法​​

• ​​1）面试题5：为什么添加到阻塞队列后，要先尝试获取锁？​​
• ​​1>> shouldParkAfterFailedAcquire()方法​​
• ​​2>> parkAndCheckInterrupt()方法​​

• ​​2、release()释放互斥锁​​

• ​​1> unparkSuccessor()方法​​

• ​​3、acquireShared()获取共享锁​​

• ​​1> doAcquireShared()方法​​

• ​​1>> setHeadAndPropagate()方法​​

• ​​4、 releaseShared()释放共享锁​​

• ​​1> doReleaseShared()方法​​

• ​​5、 acquireInterruptibly()以响应中断的方式获取互斥锁​​

• ​​总结​​

一、AQS原理

1、AQS是什么？

它是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架。

从它的名拆开来看：

1. Abstract：因为它不知道怎么上锁，所以采用​​模板方法​​暴露出上锁的逻辑。

   • AQS的主要使用方式是​​继承​​，子类通过继承AQS同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。

     2、AQS的核心：CLH队列

     AQS里面的CLH队列是CLH同步锁的一种变形。AQS依赖内部的这个同步队列(FIFO)来完成同步状态的管理。

     

     AQS的核心就是用CAS去操作这个同步队列的head和tail，也就是用CAS操作代替了锁整条双向链表的操作，所以它效率高。

     • 1> 当线程获取同步状态失败时，AQS会将< 当前线程、等待状态等信息>构建成一个​​Node​​节点通过​​addWaiter()​​方法加入到阻塞队列的尾部，同时会阻塞当前线程。
     • Node节点的内容：获取同步状态失败的线程引用、等待状态、前驱和后继节点等。
     • AQS的​​addWaiter()​​方法是基于CAS的设置尾节点，其中：
     • compareAndSetTail(Node expext, Node update)，保证节点入队的线程安全性。
     • 最后会在enq(fianl Node node)方法中，通过“死循环”来保证节点的正确添加。
     • 2> 当同步状态释放时，会把首节点的第一个活跃的后继节点线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。
     • 唤醒操作只需要将首节点设置成为原首节点的后续节点，断开原节点的next引用即可。

     3、以独占锁同步状态的获取和释放为例：

     

     

     • 在使用​​tryAcquire()​​方法获取同步状态时，AQS维护了一个同步阻塞队列，获取同步状态失败的线程都会通过CAS被加入到队列中并在队列中进行自旋。
     • 线程移出队列（停止自旋）的前提是前驱节点是头节点且成功获取了同步状态。
     • 在释放同步状态时，AQS调用​​tryRelease(int arg)​​方法释放同步状态，然后唤醒头节点的后继节点。
     • 注意：维护同步队列的FIFO原则，只有前驱节点是头结点的节点才能获取同步状态。

     4、从具体的代码实现来看

     此处做一个总述，具体细节见后面的源码分析

     1）互斥锁

     <1> acquire()获取互斥锁

     • acquire()方法中有一个模板方法​​tryAcquire()​​，用于给子类实现调用，判断是否获取锁成功。如果获取失败：
     1. 第一步先调用​​addWaiter()​​方法，通过CAS把当前线程节点封装成​​Node​​阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；
     • ​​addWaiter()​​方法是基于CAS的设置尾节点，其中：
     • compareAndSetTail(Node expext, Node update)，保证节点入队的线程安全性。
     • 最后会在enq(fianl Node node)方法中，通过“死循环”来保证节点的正确添加。
     2. 第二步，放到AQS队列中后，调用​​acquireQueued()​​方法尝试去获取一下锁，如果获取锁成功，则把当前线程节点设置为head节点。
     • 如果获取锁失败，则调用​​shouldParkAfterFailedAcquire()​​方法，判断当前线程节点是否可以阻塞；
     • 即从当前线程节点一直往前找节点、直到找到一个SIGNAL的活跃节点，并把当前线程节点作为它的后继节点。
     3. 最后以响应中断的方式阻塞当前线程节点。

     <2> release()释放互斥锁

     • release()方法中有一个模板方法​​tryRelease()​​，用于给子类实现调用，判断是否释放锁成功，如果失败直接返回FALSE，否者：
     • 调用​​unparkSuccessor()​​方法唤醒head节点的有效后继节点，即：从head节点开始往后找到第一个有效后继节点，唤醒。
     • 不过，找后继节点时，如果head的第一个后继节点是个无效节点，需要从​​tail​​节点开始往前遍历找到第一有效的后继节点。
     • 因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以可能有一瞬间遍历不到新的tail节点。

     2）共享锁

     <3> acquireShared()获取共享锁

     • acquireShared()方法中有一个模板方法​​tryAcquireShared()​​，用于给子类实现调用，判断是否获取锁成功，如果获取成功直接返回，否者：
     1. 调用​​doAcquireShared()​​方法阻塞当前线程节点，其中包括：
     • 第一步：和​​tryAcquire()​​方法一样的调用​​addWaiter()​​方法，通过CAS把当前线程节点封装成​​Node​​阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；只是这里Node节点的类型是SHARED。
     • 第二步和​​tryAcquire()​​方法类似，尝试获取共享锁；
     • 首先判断当前Node节点的前驱节点是不是头结点，如果是：
     • 调用子类实现的​​tryAcquireShared()​​​方法尝试获取锁，如果获取锁成功，则将当前Node节点设置为head节点，并且调用​​doReleaseShared()​​方法唤醒后继的SHARED类型的共享Node节点。
     • 第三步：继续往下走，如果线程获取锁失败，则采用响应中断的方式使用​​LockSupport.park(this)​​方法阻塞当前线程。
     • 最后，如果在尝试获取锁的过程中失败，则调用​​cancelAcquire()​​方法取消当前线程尝试获取共享锁的操作。将节点从竞争队列中移除，节点状态设置为CANCELLED、引用的线程对象置为null。

     <4> releaseShared()释放共享锁

     • releaseShared()方法中有一个模板方法​​tryReleaseShared()​​，用于给子类实现调用，判断是否释放锁成功，如果失败直接返回FALSE，否者：
     • 调用​​doReleaseShared()​​方法唤醒head节点的有效后继节点，即：从head节点开始往后找到第一个有效后继节点，唤醒。
     • 不过，找后继节点时，如果head的第一个后继节点是个无效节点，需要从​​tail​​节点开始往前遍历找到第一有效的后继节点。
     • 因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以可能有一瞬间遍历不到新的tail节点。

     5、面试题2：AQS中线程Node节点的PROPAGATE状态是什么意思？

     在共享锁中，线程调用​​doReleaseShared()​​方法执行唤醒时，方法的代码段不是互斥的，所以为了保证线程的正确唤醒，也就有了这么一个中间状态。

     以一个场景为例：Semaphore有两个许可，A线程和B线程都获取到了许可，C线程和D线程在等着。

     • 假如A和B同时执行、释放锁，A在​​doReleaseShared()​​中CAS成功，将head节点B状态设置为0，并通过​​unparkSuccessor()​​方法去唤醒C。
     • C被唤醒之后，它去抢锁，并且抢到锁了，在​​doAcquireShared()​​中有可能执行到了​​setHeadAndPropagate()​​方法去​​设置头结点为自己​​，也有​​可能没执行到​​，即可能将head节点从B更新到了C，可能还是B。这时我们再去​​看线程B释放锁​​的情况。
     • 此时线程B他获取到的​​head节点就有两种情况​​：

     二、AQS源码分析

     1、acquire()获取互斥锁

     public final void acquire(int arg) {
         if (!tryAcquire(arg) && // 子类中判断获取锁失败返回false，这里取反则为true
             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // addWaiter()方法为：获取锁失败后，加入到阻塞队列。
           // 进入阻塞阻塞队列之后，考虑线程是否睡眠？
             selfInterrupt();
     }
     
     // 子类实现获取锁的逻辑， AQS并不知道你用这个state来上锁
     protected boolean tryAcquire(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
     }

     1> addWaiter()方法

     获取互斥锁失败后，首先调用​​addWaiter()​​​方法，通过CAS把当前线程节点封装成​​Node​​阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；

     addWaiter()方法中基于CAS的设置尾节点，将阻塞线程节点放入阻塞队列；

     保证节点入队的线程安全性；

     并采用全路径 + ​​优化前置​​（把enq()方法中for循环里的一些判断前置到addWaiter()方法）的技巧，实现快速入队。

     private Node addWaiter(Node mode) {
         // 创建等待节点：当前线程对象 + 锁模式（互斥锁？共享锁？）
         Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
         // 快速加入到队列
         Node pred = tail;
         if (pred != null) {
             node.prev = pred;
             if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                 //（面试重点，最难理解的地方）特别注意：当上面的CAS成功之后，有一瞬间pred.next并没有关联。这样会导致什么问题？
                 // 那一瞬间，我们通过head引用遍历的时候，是到达不了最后一个节点的，A(heade) -> B(旧tail) <- C(新tail)
                 // 如何获取到最新的节点？  直接通过tail指针往前遍历即可。
                 pred.next = node;
                 return node;
             }
         }
         // "死循环"确保节点正确添加
         enq(node);
         return node;
     }
     
     // 全路径入队方法
     private Node enq(final Node node) {
         for (;;) {
             Node t = tail;
             if (t == null) { // 懒加载时，tail 和head分别代表aqs的头尾节点
                 // 通过CAS实现原子初始化操作；当一个空节点实现初始化，
                 if (compareAndSetHead(new Node()))
                     tail = head;
             } else {
                 node.prev = t;
                 // CAS更新tail节点，期望是t，想改成node
                 if (compareAndSetTail(t, node)) {
                     t.next = node;
                     return t;
                 }
             }
         }
     }

     1）面试题3：为什么CAS可以保证线程安全？

     1. 正常将一个节点添加到队列尾部需要三个操作：

     2）面试题4：是否存在通过head引用遍历不到最后一个节点的情况？

     存在，因为：

     在addWaiter()方法将newNode节点设置为新tail节点之后，才会将旧tail节点的next引用指向newNode。

     • 如果在设置旧tail.next = newNode之前，我们通过head引用遍历，这一瞬间是遍历不到最后一个节点的。

     ​​如何获取到最新的节点？ ​​

     • 直接通过tail指针往前遍历即可。

     2> acquireQueued()方法

     获取互斥锁失败后，其次调用​​acquireQueued()​​方法尝试再获取一次锁，进而决定是否将当前线程进行阻塞。

     // node节点为添加到阻塞队列中的线程节点
     @ReservedStackAccess
     final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
       boolean failed = true;
       try {
         boolean interrupted = false;
         for (;;) {
           // 获取当前线程节点的前驱节点
           final Node p = node.predecessor();
           // 如果前驱节点是头结点（持有锁的线程节点），这是有可能头结点释放了锁，所以尝试tryAcquire()让子类抢一下锁
           if (p == head && tryAcquire(arg)) {
             // 获取锁成功，更新头结点；释放原头结点的next引用，帮助GC
             setHead(node);
             p.next = null; // help GC
             failed = false;
             return interrupted;
           }
           // 如果前驱节点不是头结点 或 抢锁失败，需要先判断线程是否应该被阻塞？ 因为有可能上一瞬间抢锁失败，但是到这的时候头结点已经释放了锁。
           // 如何阻塞呢？ 调用parkAndCheckInterrupt()方法来阻塞当前线程。
           if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
               parkAndCheckInterrupt())
             interrupted = true;
         }
       } finally {
         // 假如上面出现了任何异常，或者 没有获取到锁；取消获取锁操作
         if (failed)
           cancelAcquire(node);
       }
     }

     1）面试题5：为什么添加到阻塞队列后，要先尝试获取锁？

     因为如果添加到阻塞队列后，当前锁状态是无锁的话，就不会有活跃线程获取到锁。

     1>> shouldParkAfterFailedAcquire()方法

     如果前驱节点不是头结点 或 抢锁失败，需要先调用​​shouldParkAfterFailedAcquire()​​方法判断线程是否应该被阻塞？

     • 也就是找到一个可靠的（活着有效的）节点，然后将当前线程节点作为其后继节点即可。

     // pred为前驱节点，node为当前线程节点
     private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
         // 获取前驱节点的状态
       int ws = pred.waitStatus;
       // 如果前驱节点是SIGNAL，此时当前线程节点可以安全的阻塞
       // 为什么可以安全阻塞？  因为SIGNAL状态，代表了上一个线程是活的，它可以通知当前线程节点，所以当前节点是可以安全的阻塞了。
       if (ws == Node.SIGNAL)
         return true;
       if (ws > 0) {
         // 前驱节点是CALLCEL无效节点时，怎么办？  一直往前找，直到找到有效节点。
         do {
           // 取前驱节点的前驱节点，赋值给当前线程节点的前驱节点
           node.prev = pred = pred.prev;
         } while (pred.waitStatus > 0);
         // 更新 新的前驱节点的next指针指向
         pred.next = node;
       } else {
         // 前驱节点是个正常节点时，使用CAS将其变为SIGNAL。
         compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
       }
       return false;
     }

     2>> parkAndCheckInterrupt()方法

     如果前驱节点不是头结点 或 抢锁失败，并且可以阻塞当前线程，则调用​​parkAndCheckInterrupt()​​方法以响应式中断的方法阻塞当前线程。

     private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
         LockSupport.park(this);
         // 判断是否是通过中断的方式来唤醒。 包括：1、unpark 2、interrupt
         return Thread.interrupted();
     }

     2、release()释放互斥锁

     public final boolean release(int arg) {
         // 子类尝试释放锁
         if (tryRelease(arg)) {
             Node h = head;
             if (h != null // 
                 && h.waitStatus != 0) // 那就是h的状态为SINGAL
                 // 唤醒阻塞队列中的后继线程
                 unparkSuccessor(h);
             return true;
         }
         return false;
     }
     
     // 子类实现释放锁的逻辑，AQS并不知道。
     protected boolean tryRelease(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
     }

     1> unparkSuccessor()方法

     该方法用于释放node节点后的有效后继节点，即：从node节点开始往后找到有效后继节点，唤醒。

     找后继节点时，如果后继节点是个无效节点，需要从tail开始往前遍历找到第一有效的后继节点。

     因为因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以可能有一瞬间遍历不到新的tail节点。

     private void unparkSuccessor(Node node) {
       // 获取当前节点（head）的状态
       int ws = node.waitStatus;
       // ws的状态为SIGNAL
       if (ws < 0)
         // CAS将其变为0,代表了我当前已经响应了这一次的唤醒操作
         compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
     
       // 取当前节点的后继节点，作为唤醒节点；但是注意条件
       Node s = node.next;
       if (s == null // 为什么后继节点可能为nul？因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以有可能一瞬间为空。
           || s.waitStatus > 0) { // 后继节点是个无效节点！
         // 将后继节点设置为空
         s = null;
         // 因为tail引用一定是最新的引用，所以从后往前找，一定能找到 第一个(node节点的第一个后继) 有效节点
         for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
           if (t.waitStatus <= 0)
             // 更新后继节点
             s = t;
       }
       // 此时的s就是要唤醒的节点
       if (s != null)
         // 唤醒后继节点
         LockSupport.unpark(s.thread);
     }

     3、acquireShared()获取共享锁

     public final void acquireShared(int arg) {
         // 由子类判断是否获取锁成功，若不成功？则该阻塞阻塞去，<0表示获取锁失败
         if (tryAcquireShared(arg) < 0)
             // 阻塞当前线程节点
             doAcquireShared(arg);
     }
     
     // 由子类实现获取锁的逻辑，返回值表示还剩几个可以获取的锁资源
     protected int tryAcquireShared(int arg) {
         throw new UnsupportedOperationException();
     }

     1> doAcquireShared()方法

     获取共享锁失败后，首先调用​​doAcquireShared()​​方法，阻塞当前线程节点；其中包括：

     1. 和​​tryAcquire()​​​方法一样的调用​​addWaiter()​​​方法，通过CAS把当前线程节点封装成​​Node​​阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；只是这里Node节点的类型是SHARED。
     2. 和​​tryAcquire()​​方法类似，尝试获取共享锁；
     3. 继续往下走，如果线程获取锁失败，则采用响应中断的方式使用​​LockSupport.park(this)​​方法阻塞当前线程。
     4. 最后，如果在尝试获取锁的过程中失败，则调用​​cancelAcquire()​​方法取消当前线程尝试获取共享锁的操作。

     private void doAcquireShared(int arg) {
         // 和互斥锁一样，只是这里的是共享模式
         final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
         boolean failed = true;
         try {
             boolean interrupted = false;
             for (;;) {
                 // 前驱节点是head节点时，可能头结点很快就释放锁了，尝试获取锁
                 final Node p = node.predecessor();
                 if (p == head) {
                     int r = tryAcquireShared(arg);
                     // 获取锁成功；尝试唤醒后面的共享节点，因为共享锁是可以多线程共享的
                     if (r >= 0) {
                         // 将当前节点更新为head节点，然后唤醒后继节点
                         setHeadAndPropagate(node, r);
                         // p.next指针已经没有用了
                         p.next = null; // help GC
                         // 如果在等待过程中发生了中断，由于中断被唤醒，则会置位当前线程的中断标志位。
                         if (interrupted)
                             selfInterrupt();
                         failed = false;
                         return;
                     }
                 }
                 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 判断是否应该阻塞获取锁失败的线程节点？因为有可能上一瞬间抢锁失败，但是到这的时候头结点已经释放了锁。
                     parkAndCheckInterrupt()) // 以响应中断的方式阻塞当前线程节点
                     interrupted = true;
             }
         } finally {
             if (failed)
                 cancelAcquire(node);
         }
     }

     1>> setHeadAndPropagate()方法

     获取共享锁成功后，会调用​​setHeadAndPropagate()​​方法将当前节点更新为head节点，并唤醒后继节点；

     private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
         // 保存旧head结点的快照
         Node h = head;
         setHead(node);
         if (propagate > 0 // 信号量有多余，则直接唤醒
             || h == null // 不可能发生
             || h.waitStatus < 0 // SIGNAL，表明必须唤醒后继节点，则直接唤醒
             || (h = head) == null // 不可能发生，但是将最新的head节点引用赋给h是有意义的
             || h.waitStatus < 0) { // SIGNAL，表明必须唤醒后继节点，则直接唤醒
             // 最新head节点的后继节点
             Node s = node.next;
             if (s == null || s.isShared())
                 doReleaseShared();
         }
     }

     在调用​​setHeadAndPropagate()​​​方法将当前节点更新为head节点，并唤醒后继节点时，如果当前节点没有后继节点了，则调用​​doReleaseShared()​​方法释放共享锁；

     ​​doReleaseShared()​​​方法在下面的​​releaseShared()​​方法中解析

     4、 releaseShared()释放共享锁

     public final boolean releaseShared(int arg) {
         // tryReleaseShared方法由子类实现
         if (tryReleaseShared(arg)) {
             doReleaseShared();
             return true;
         }
         return false;
     }

     1> doReleaseShared()方法

     private void doReleaseShared() {
         // 
         for (;;) {
             // 保存head节点快照
             Node h = head;
             // 头结点不为null 并且头节点不等于尾节点，说明链表中还有等待节点
             if (h != null && h != tail) {
                 // 理应要唤醒后面的节点，因为SIGNAL的语义就是必须要唤醒后面的节点
                 int ws = h.waitStatus;
                 if (ws == Node.SIGNAL) {
                     // CAS将线程节点状态由SINGNAL改为0，表示唤醒成功，如果唤醒失败呢？
                     // 唤醒失败，表明多个线程想同时释放共享锁，都需要唤醒后继节点，此时state的状态为2 表示可用资源数为2，需要唤醒后面两个等待的共享节点；失败就重试
                     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)) // Node.PROPAGATE = -3，如CAS成功，表明线程A释放了一个共享锁唤醒了线程C，且线程C还没有将head节点更新到C上，B线程通过`doReleaseShared()`又释放了一个共享锁，释放锁的过程中发现head节点B的状态是0，这时就会将head节点B的状态设置为PROPAGATE状态。
                     // 假如没有这个else if片段，B就不会唤醒D。感觉我有两个信号量，然而只有一个C运行了，D木得了。
                     continue;                // loop on failed CAS
             }
             // 头结点没有被改变过，且h != null && h != tail 成功，退出循环
             if (h == head)
                 break;
         }
     }

     5、 acquireInterruptibly()以响应中断的方式获取互斥锁

     public final void acquireInterruptibly(int arg)
         throws InterruptedException {
         // 就比正常的多这一步，如果线程被中断了，直接抛出异常返回
         if (Thread.interrupted())
             throw new InterruptedException();
         if (!tryAcquire(arg))
             doAcquireInterruptibly(arg);
     }

     总结

     子类只需要实现自己的获取锁逻辑和释放锁逻辑即可，至于排队阻塞等待、唤醒机制均由AQS完成。