前言

之前說(shuō)鎖的升級(jí)的時(shí)候，說(shuō)到了自旋鎖會(huì)空轉(zhuǎn)幾次嘗試等待獲取資源，其實(shí)這一系列的動(dòng)作是有一個(gè)規(guī)范的這個(gè)規(guī)范叫做同步發(fā)生器AbstractQueuedSynchronizer ，簡(jiǎn)稱(chēng)AQS。

同步發(fā)生器是用來(lái)構(gòu)建鎖用的，可以說(shuō)是Java中同步組件的基礎(chǔ)，在Java JDK的JUC包中：java.util.concurrent。

我們常用的ReentrantLock，Semaphore等等用的都是這樣一個(gè)架構(gòu)，可以說(shuō)是這些Lock工具的一個(gè)基礎(chǔ)。

AQS基本思想

AQS是一個(gè)隊(duì)列管理器，通過(guò)內(nèi)置的FIFO同步隊(duì)列去管理線程爭(zhēng)奪資源的。

FIFO就是先進(jìn)先出(Frist In First Out)的縮寫(xiě)。

其實(shí)現(xiàn)核心是用到了CHL同步隊(duì)列，其核心思想就是：把每一個(gè)線程看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node，然后給這些節(jié)點(diǎn)上加上前驅(qū)指針和后繼指針,這樣一來(lái)就可以用指針把這些線程節(jié)點(diǎn)(Thread Node)連接起來(lái)形成一個(gè)雙向鏈表，或者說(shuō)雙向隊(duì)列。

除此之外，還有一個(gè)同步器節(jié)點(diǎn)(Synchronized Node)，用來(lái)管理這些線程節(jié)點(diǎn)。

同步器節(jié)點(diǎn)也有兩個(gè)指針，第一個(gè)指針指向隊(duì)列首節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)指針指向隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)。

因此同步器節(jié)點(diǎn)是事實(shí)上的頭節(jié)點(diǎn)Head，下圖就是一個(gè)完整的CHL同步隊(duì)列示意圖。

注：CHL是人名簡(jiǎn)稱(chēng)沒(méi)啥具體意義。

AQS操作同步隊(duì)列

同步隊(duì)列有了，誰(shuí)能拿到資源則是由一個(gè)狀態(tài)變量(state)來(lái)確定的。

當(dāng)state==0時(shí)，表示當(dāng)前資源沒(méi)有線程占用；當(dāng)state>=1時(shí)，表示當(dāng)前資源已經(jīng)被占用了，其他線程必須等待資源釋放。

假設(shè)有一個(gè)線程要使用資源，首先先會(huì)去檢查state變量獲取結(jié)果，如果state==0說(shuō)明該線程可以使用請(qǐng)求資源，不需要排隊(duì)，直接取出線程節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行；如果state>=1，說(shuō)明該資源已經(jīng)被前面的線程拿走了，就必須要排隊(duì)。

既然有個(gè)這個(gè)概念，所以說(shuō)每一個(gè)線程節(jié)點(diǎn)都會(huì)做這樣的事情：獲取鎖和釋放鎖。

每個(gè)在隊(duì)列里面的縣城節(jié)點(diǎn)，都會(huì)不斷地自旋，每次自旋結(jié)束都會(huì)嘗試獲取鎖，如果獲取不到那么繼續(xù)自旋。

由于是FIFO先進(jìn)先出這種公平模式，因此線程頭節(jié)點(diǎn)總會(huì)第一個(gè)獲取到鎖，以此類(lèi)推。

這里所有的節(jié)點(diǎn)都在[ 嘗試獲取鎖 – 自旋 ] 這種狀態(tài)不斷地重復(fù)。但是由于使用FIFO模式，只有頭節(jié)點(diǎn)的自旋是有意義的，其他的就是在空轉(zhuǎn)。

這樣做有什么好處呢？假設(shè)我們把所有沒(méi)有獲取到資源的線程都掛起，這就必然要經(jīng)過(guò)用戶線程和核心(系統(tǒng))線程之間的切換，這種切換是非常耗時(shí)的。

由于CPU執(zhí)行的會(huì)很快，所以預(yù)期就是自旋幾次以后，就可以拿到想要的鎖，以規(guī)避線程之間的切換。

AQS 的用法

上面說(shuō)過(guò)AbstractQueuedSynchronizer是一個(gè)框架，它能干什么用還得祭出官方文檔一探究竟，官方文檔很長(zhǎng)，我們截取兩句最重要的：

Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues. 這句話是對(duì)AbstractQueuedSynchronizer定義，翻譯過(guò)來(lái)就是說(shuō)：為那些想要依賴(lài)于FIFO等待隊(duì)列的阻塞鎖和相關(guān)的同步器(semaphores, events, 等等) 提供一個(gè)實(shí)施框架。 Subclasses should be defined as non-public internal helper classes that are used to implement the synchronization properties of their enclosing class. 這句話是用法的概括：其子類(lèi)應(yīng)該被定義為非共有的內(nèi)部幫助器(助手類(lèi))，用于實(shí)現(xiàn)外部類(lèi)的屬性同步。

說(shuō)白了AbstractQueuedSynchronizer就是Java給開(kāi)發(fā)人員提供一個(gè)獲取鎖和釋放鎖的模板，用來(lái)處理synchronized封鎖粒度過(guò)大的問(wèn)題。

它的主要功能方法如下：

說(shuō)明：共享模式下，當(dāng)一個(gè)線程獲取了鎖，其他線程依然可讀取信息。獨(dú)占模式下，線程獨(dú)占了鎖，不許其他線程使用。

源碼解析AQS

上面已經(jīng)AQS原理和常用方法說(shuō)完了，總要有一個(gè)地方體現(xiàn)吧。我們可以打開(kāi)一個(gè)方法看看Java中AQS獲取鎖是不是和我們說(shuō)的原理一致。首先進(jìn)入acquire()方法。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

進(jìn)入以后先判斷tryAcquire(arg)這里面只有一個(gè)拋異常不多說(shuō)了。然后調(diào)用acquireQueued()方法，進(jìn)入。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) { //空轉(zhuǎn)，自旋
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { //如果當(dāng)前是頭節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)嘗試獲取鎖，這也就是為啥只有頭節(jié)點(diǎn)才有意義
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
		//如果不是繼續(xù)等待
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法已經(jīng)要求傳入的參數(shù)就是Node，其實(shí)就是把要等待的Node繼續(xù)等待，那么返回上去，看看addWaiter()又寫(xiě)了啥。

private Node addWaiter(Node mode) {
	//把當(dāng)前線程改造稱(chēng)為Node，
    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) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

進(jìn)入就發(fā)現(xiàn)用構(gòu)建Node用的就是當(dāng)前線程Thread.currentThread()，這就是線程節(jié)點(diǎn)的由來(lái)。

實(shí)現(xiàn)一個(gè)鎖類(lèi)

在Java的JUC包中同樣為了這樣一個(gè)模板提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)接口就是Lock接口，我們常用的ReentrantLock就是實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口構(gòu)建出來(lái)的，不妨按照這樣一個(gè)模板自己構(gòu)建一個(gè)加深理解。

首先看下Lock接口里面都有什么方法：

按照上面的模板，我們可以自己構(gòu)建一個(gè)鎖工具：

public class MyLock implements Lock {
    private Helper helper = new Helper();
    //按照官方文檔所說(shuō)，構(gòu)建內(nèi)部幫助類(lèi)
    private class Helper extends AbstractQueuedSynchronizer {
        //構(gòu)建嘗試獲取鎖的方法
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            int state = getState();
            if (0 == state) {
                //利用cas的原理修改state
                if (compareAndSetState(0, arg)) {
                    //設(shè)置當(dāng)前線程擁有資源
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                }
            }//同一個(gè)線程獲取被鎖住的資源時(shí)，直接分配給這個(gè)線程，實(shí)現(xiàn)可重入性
            else if(getExclusiveOwnerThread()==Thread.currentThread()){ //刪除這個(gè)else if條件，就會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)不可重入鎖
                setState(getState()+arg);
                return true;
            }
            return false;
        }
        //構(gòu)建嘗試釋放鎖的方法
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            //arg是傳遞進(jìn)來(lái)的state的期望值
            int state = getState() - arg;
            //判斷釋放后狀態(tài)是否為0
            if (0 == state) {
                setExclusiveOwnerThread(null);
                setState(0);
                return true;
            }
            //因?yàn)樾枰薷牡木€程就是當(dāng)前占有鎖的線程，所以此時(shí)直接重置是沒(méi)有線程安全問(wèn)題的，也就是當(dāng)前線程獨(dú)占了資源state
            setState(state);
            return false;
        }
        public Condition newConditionObject(){
            return new ConditionObject();
        }
    }
    //加鎖方法
    @Override
    public void lock() {
        helper.acquire(1); //AbstractQueuedSynchronizer原生方法
    }
    //鎖中斷
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        helper.acquireInterruptibly(1); //AbstractQueuedSynchronizer原生方法
    }
	//嘗試獲取鎖
    @Override
    public boolean tryLock() {
        return helper.tryAcquire(1); //使用自己實(shí)現(xiàn)的tryAcquire()方法
    }
    //嘗試加鎖
    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return helper.tryAcquireNanos(1,unit.toNanos(time)); //AbstractQueuedSynchronizer原生方法
    }
	//釋放鎖
    @Override
    public void unlock() {
        helper.tryRelease(1);  //使用自己實(shí)現(xiàn)的tryRelease()方法
    }
	//條件
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return helper.newConditionObject(); //AbstractQueuedSynchronizer原生方法
    }
}

總結(jié)

到此AQS的內(nèi)容告一段落。這篇博客主要講了AQS的設(shè)計(jì)思想，以及操作同步隊(duì)列的方式，同時(shí)完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的鎖幫助類(lèi)，希望能夠幫助大家更好的理解鎖這一個(gè)同步機(jī)制，以及由AQS架構(gòu)為基礎(chǔ)的各種鎖工具的內(nèi)部原理。

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)框架中的AQS詳細(xì)解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java的AQS內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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