AQS

2021-08-27 3 分钟阅读 编程思想ManualJava

AQS作为Java并发编程的基石，在Java同步工具中有广泛应用，例如：ReentrantLock , Semaphore , CountDownLatch ReentrantReadWriteLock , ThreadPoolExecutor

一般来说，自定义同步器要么是独占方式，要么是共享方式，它们也只需实现 tryAcquire / tryRelease , tryAcquireShared / tryReleaseShared 中的一组即可。AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。ReentrantLock是独占锁。

AQS核心思想是：如果被请求的共享资源（state）空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CLH：Craig, Landin, and Hagersten队列，是单向链表，AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列（FIFO），AQS是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。

主要原理图如下：

AQS核心原理

AQS使用一个Volatile的int类型的成员变量state来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作，通过CAS完成对State值的修改。

获得锁

acquire()是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。

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

线程获取锁

如果再有线程要获取锁，依次在队列中往后排队即可。

tryAcquire()方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。需自定义同步器去实现

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

AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗。AQS这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现了（通过state的get/set/CAS）！！！至于能不能重入，能不能加塞，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了！！

addWaiter(Node)此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点。

private Node addWaiter(Node mode) {
    //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    //尝试快速方式直接放到队尾。
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }

    //上一步失败则通过enq入队。
    enq(node);
    return node;
}

enq(Node)方法用于将node加入队尾。

private Node enq(final Node node) {
    //CAS"自旋"，直到成功加入队尾
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {//正常流程，放入队尾
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧：进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
    try {
        boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过

        //又是一个“自旋”！
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
            //如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
                p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！
                failed = false; // 成功获取资源
                return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
            }

            //如果自己可以休息了，就通过park()进入waiting状态，直到被unpark()。如果不可中断的情况下被中断了，那么会从park()中醒过来，发现拿不到资源，从而继续进入park()等待。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true
        }
    } finally {
        if (failed) // 如果等待过程中没有成功获取资源（如timeout，或者可中断的情况下被中断了），那么取消结点在队列中的等待。
            cancelAcquire(node);
    }
}

Node2自旋查看前置节点，直到前置节点执行完成状态修改为CANCELLED，然后断开前置节点的链接，获取资源开始执行。

img

再来总结下它的流程吧：

  1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
  2. 没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
  3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
  4. 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

由于此函数是重中之重，我再用流程图总结一下：

aqs获得锁

释放锁

release()方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;//找到头结点
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
        return true;
    }
    return false;
}

逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点！！

tryRelease()方法尝试去释放指定量的资源。需自定义同步器去实现

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

跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //这里，node一般为当前线程所在的结点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

这个函数并不复杂。一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程。

AQS实现非公平和公平

公平锁和非公平锁在于hasQueuedPredecessors()这个方法。hasQueuedPredecessors是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法。如果返回False，说明当前线程可以争取共享资源；如果返回True，说明队列中存在有效节点，当前线程必须加入到等待队列中。

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
  // The correctness of this depends on head being initialized
  // before tail and on head.next being accurate if the current
  // thread is first in queue.
  Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
  Node h = head;
  Node s;
  // 头节点不是尾节点
  // 第一个节点不为空
  // 当前节点是头节点
  return h != t &&
    ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

线程在doAcquireNanos方法中获取锁时，会先加入同步队列，之后根据情况再陷入阻塞。当阻塞后的节点一段时间后醒来时，这时候来了更多的新线程来抢锁，这些新线程还没有加入到同步队列中去，也就是在tryAcquire方法中获取锁。

在公平锁下，这些新线程会发现同步队列中存在节点等待，那么这些新线程将无法获取到锁，去排队；

而在非公平锁下，这些新线程会跟排队苏醒的线程进行锁争抢，失败的去同步队列中排队。因此这里的公平与否，针对的其实是苏醒线程与还未加入同步队列的线程，而对于已经在同步队列中阻塞的线程而言，它们内部自身其实是公平的，因为它们是按顺序被唤醒的，这是根据AQS节点唤醒机制和同步队列的FIFO特性决定的。

自定义同步工具

了解AQS基本原理以后，按照上面所说的AQS知识点，自己实现一个同步工具。

public class LeeLock  {

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire (int arg) {
            return compareAndSetState(0, 1);
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease (int arg) {
            setState(0);
            return true;
        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively () {
            return getState() == 1;
        }
    }
    
    private Sync sync = new Sync();
    
    public void lock () {
        sync.acquire(1);
    }
    
    public void unlock () {
        sync.release(1);
    }
}

通过我们自己定义的Lock完成一定的同步功能。

public class LeeMain {

    static int count = 0;
    static LeeLock leeLock = new LeeLock();

    public static void main (String[] args) throws InterruptedException {

        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run () {
                try {
                    leeLock.lock();
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        count++;
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    leeLock.unlock();
                }

            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

上述代码每次运行结果都会是20000。通过简单的几行代码就能实现同步功能，这就是AQS的强大之处。

参考

Java并发之AQS详解

并发之AQS原理(二) CLH队列与Node解析

从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用

Async
API接口安全设计

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