Java AQS(AbstractQueuedSynchronizer)源碼解析

更新時間：2023年02月09日 11:01:19 作者：花醉霜寒

AbstractQueuedSynchronizer被稱為隊列同步器，簡稱為大家熟知的AQS，這個類可以稱作concurrent包的基礎(chǔ)。本文將通過剖析源碼來看看AQS是如何工作的，感興趣的可以了解一下

AQS內(nèi)部維護一個volatile修飾的state變量，state用于標(biāo)記鎖的狀態(tài)；
AQS通過內(nèi)部類Node記錄當(dāng)前是哪個線程持有鎖；
AQS通過LockSupport的park和unPark方法來阻塞和喚醒線程；
AQS通過node來維護一個隊列，用于保存所有阻塞的線程。

下面通過剖析源碼來看看AQS是如何工作的。

AQS概要

AQS通過內(nèi)部類Node記錄當(dāng)前是哪個線程持有鎖，Node中有一個前驅(qū)節(jié)點和一個后繼節(jié)點，形成一個雙向鏈表，這個鏈表是一種CLH隊列，其中waitStatus表示當(dāng)前線程的狀態(tài)，其可能的取值包括以下幾種：

SIGNAL(-1)，表示后繼線程已經(jīng)或者即將被阻塞，當(dāng)前線程釋放鎖或者獲取鎖失敗后需要喚醒后繼線程；
CANCELLED(1)，表示當(dāng)前線程因為超時或者中斷被取消，這個狀態(tài)不可以被修改；
CONDITION(-2)，當(dāng)前線程為條件等待，其狀態(tài)設(shè)置0之后才能去競爭鎖；
PROPAGATE(-3)，表示共享鎖釋放之后需要傳遞給后繼節(jié)點，只有頭結(jié)點的才會有該狀態(tài)；
0，該狀態(tài)為初始值，不屬于上面任意一種狀態(tài)。

Node對象中還有一個nextWaiter變量，指向下一個條件等待節(jié)點，相當(dāng)于在CLH隊列的基礎(chǔ)上維護了一個簡單的單鏈表來關(guān)聯(lián)條件等待的節(jié)點。

	static final class Node {

        static final Node SHARED = new Node();

        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;

        volatile int waitStatus;

        volatile Node prev;

        volatile Node next;

        volatile Thread thread;

        Node nextWaiter;

        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }
        ...
        構(gòu)造方法
        ...
    }

Node提供了兩種入隊列的方法，即enq和addWaiter，enq方法如下所示，當(dāng)尾節(jié)點tail為null時，表明阻塞隊列還沒有被初始化，通過CAS操作來設(shè)置頭結(jié)點，頭結(jié)點為new Node()，實際上頭結(jié)點中沒有阻塞的線程，算得上是一個空的節(jié)點（注意空節(jié)點和null是不一樣的），然后進行tail=head操作，這也說明當(dāng)head=tail的時候，隊列中實際上是不存在阻塞線程的，然后將需要入隊列的node放入隊列尾部，將tail指向node。

    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
        	//如果tail為空，說明CLH隊列沒有被初始化，
            if (t == null) {
            	//初始化CLH隊列，將head和tail指向一個new Node()，
            	//此時雖然CLH有一個節(jié)點，但是并沒有真正意義的阻塞線程
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
            	//將node放入隊列尾部，并通過cas將tail指向node
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

addWaiter通常表示添加一個條件等待的節(jié)點入隊列，該方法首先嘗試通過CAS操作快速入隊列，如果失敗則通過調(diào)用enq來入隊列。

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //嘗試快速入隊列
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //快速入隊列失敗則采用enq方入隊列
        enq(node);
        return node;
    }

Node還提供了喚醒后繼節(jié)點線程的功能，主要是通過LockSupport來實現(xiàn)的，源碼如下所示，

    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);
    }

排他獲取鎖

不支持中斷的獲取鎖\color{green}{不支持中斷的獲取鎖}不支持中斷的獲取鎖

	//不可中斷的獲取鎖
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            //對中斷做補償，中斷當(dāng)前線程
            selfInterrupt();
    }

acquire方法首先會調(diào)用tryAcquire方法嘗試獲取鎖，如果獲取鎖失敗,首先通過addWaiter將當(dāng)前線程放入CLH隊列中，然后通過acquireQueued方法獲取鎖，acquireQueued方法源碼如下所示：

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
        	//記錄中斷狀態(tài)
            boolean interrupted = false;
            //自旋式的獲取鎖
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //當(dāng)前線程為CLH中的第一個阻塞線程才會嘗試去獲取鎖
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                	//獲取成功則更新head
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    //返回中斷狀態(tài)
                    return interrupted;
                }
                //判斷中斷信息
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
        	//如果獲取鎖失敗，則取消獲取鎖的操作
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

acquireQueued方法是無中斷的獲取鎖，該方法有一個布爾類型的返回值，該值不是表示是否成功獲取鎖，而是標(biāo)示當(dāng)前線程的中斷狀態(tài)，因為acquireQueued方法是無法響應(yīng)中斷的，需要對中斷進行補償，這個補償體現(xiàn)在acquire方法中。

    //模板方法tryAcquire需要子類進行具體實現(xiàn)
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

支持中斷的獲取鎖

    //可中斷的獲取鎖
    public final void acquireInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

acquireInterruptibly方法獲取鎖的過程中能夠響應(yīng)中斷，主要體現(xiàn)在獲取鎖之前會判斷一下當(dāng)前線程的中斷中斷狀態(tài)，若中斷則拋出InterruptedException，然后通過tryAcquire獲取鎖，獲取成功直接返回，獲取失敗則通過doAcquireInterruptibly獲取鎖，該方法和acquireQueued最大的區(qū)別就是在判斷parkAndCheckInterrupt后，acquireQueued僅僅記錄中斷狀態(tài)，parkAndCheckInterrupt則會拋出異常。

    private void doAcquireInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    //拋出異常，響應(yīng)中斷
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

支持超時時間的獲取鎖功能

    public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        //響應(yīng)中斷
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //首先通過tryAcquire快速獲取鎖，若失敗則調(diào)用doAcquireNanos方法
        return tryAcquire(arg) ||
            doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
    }

從方法tryAcquireNanos的源碼可以看出，該方法也是響應(yīng)中斷的，該方法首先調(diào)用模板方法tryAcquire快速的獲取鎖，如果失敗則通過doAcquireNanos獲取鎖，doAcquireNanos中支持超時機制，其源碼如下所示：

    private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        if (nanosTimeout <= 0L)
            return false;
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return true;
                }
                nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
                //判斷如果超時則直接返回false，代表獲取鎖失敗
                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);
        }
    }

doAcquireNanos方法與acquireQueued方法的區(qū)別是每次循環(huán)獲取鎖過程中都會計算deadline和當(dāng)前時間的差值，如果這個差值小于0，則表示獲取鎖的操作已經(jīng)超時，則直接返回false表示獲取鎖失敗。

共享鎖獲取

AQS中不僅支持排他鎖的獲取，即acquire、acquireInterruptibly和tryAcquireNanos，還提供了共享鎖的獲取操作方法，包括acquireShared、acquireSharedInterruptibly和tryAcquireSharedNanos，這三個方法源碼如下所示：

    public final void acquireShared(int arg) {
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireShared(arg);
    }

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

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

共享鎖的獲取和排他鎖的獲取方法類似，共享鎖調(diào)用了不同的模板方法tryAcquireShared，這里介紹一下doAcquireShared方法，其他方法變化的套路和共享鎖的使用套路一樣，doAcquireShared方法源碼如下所示：

    private void doAcquireShared(int arg) {
    	//當(dāng)前線程入隊列
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            //自旋式的獲取鎖
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //只有隊列中的第一個阻塞線程才能獲取鎖	
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        //獲取鎖成功，補償中斷
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //通過interrupted記錄中斷信息
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

doAcquireShared方法沒有返回值，與acquireQueued不同的是：

doAcquireShared沒有返回值，該方法的中斷補償是在方法內(nèi)完成的，獲取鎖成功之后，會判斷中斷信息interrupted的狀態(tài)，如果為true則調(diào)用selfInterrupt()方法中斷當(dāng)前線程；
獲取鎖成功之后不是簡單的設(shè)置head，而是通過setHeadAndPropagate方法來設(shè)置頭結(jié)點和并且判斷后繼節(jié)點的信息，對后繼節(jié)點中的線程進行喚醒操作等，setHeadAndPropagate方法源碼如下所示：

    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; 
        //設(shè)置新的頭結(jié)點
        setHead(node);
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            //如果后繼節(jié)點為空或者為SHARED類型的節(jié)點,執(zhí)行doReleaseShared方法
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();
        }
    }

    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                	//狀態(tài)為SIGNAL，則喚醒后繼節(jié)點中的線程
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            
                    unparkSuccessor(h);
                }
                //若狀態(tài)為0，則設(shè)置狀態(tài)為PROPAGATE
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                
            }
            if (h == head)                  
                break;
        }
    }

鎖的釋放

鎖的釋放也分為釋放排他鎖和釋放共享鎖，分別為release方法和releaseShared方法，源碼如下所示，

	//釋放排他鎖
    public final boolean release(int arg) {
    	//釋放鎖，然后喚醒后繼節(jié)點的線程
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }


    //釋放共享鎖
    public final boolean releaseShared(int arg) {
    	//釋放鎖，然后調(diào)用doReleaseShared方法
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

release方法和releaseShared方法分別調(diào)用模板方法tryRelease和tryReleaseShared來釋放鎖，release方法中直接通過調(diào)用unparkSuccessor喚醒后繼線程，而releaseShared的喚醒操作在doReleaseShared方法中進行。

取消獲取鎖

當(dāng)獲取鎖失敗時，需要進行一些狀態(tài)清理和變化，cancelAcquire方法就是用來實現(xiàn)這些功能的，其源碼如下所示，

    private void cancelAcquire(Node node) {
       
        if (node == null)
            return;
        //節(jié)點線程置為null
        node.thread = null;

        //從CLH隊列中清除已經(jīng)取消的節(jié)點（CANCELLED）
        Node pred = node.prev;
        while (pred.waitStatus > 0)
            node.prev = pred = pred.prev;

        Node predNext = pred.next;

        node.waitStatus = Node.CANCELLED;

        //判斷如果node是尾部節(jié)點，則設(shè)置尾部節(jié)點
        if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
            compareAndSetNext(pred, predNext, null);
        } else {
            int ws;
           	//若不是頭節(jié)點則直接從CLH隊列中清除當(dāng)前節(jié)點
            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);
            //若為頭結(jié)點，則喚醒后繼節(jié)點中的線程
            } else {
                unparkSuccessor(node);
            }

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

取消獲取鎖的操作首先將隊列中處于CANCELLED狀態(tài)的節(jié)點剔除，然后根據(jù)當(dāng)前節(jié)點在CLH隊列中的位置進行不同的操作：