目錄
Java并發(fā)包（JUC）中提供了很多并發(fā)工具，這其中，很多我們耳熟能詳?shù)牟l(fā)工具，譬如ReentrangLock、Semaphore，它們的實現(xiàn)都用到了一個共同的基類--AbstractQueuedSynchronizer,簡稱AQS。AQS是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用AQS能簡單且高效地構造出應用廣泛的大量的同步器，比如我們提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的諸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，F(xiàn)utureTask等等皆是基于AQS的。當然，我們自己也能利用AQS非常輕松容易地構造出符合我們自己需求的同步器。
本章我們就一起探究下這個神奇的東東，并對其實現(xiàn)原理進行剖析理解
基本實現(xiàn)原理
AQS使用一個int成員變量來表示同步狀態(tài)，通過內置的FIFO隊列來完成獲取資源線程的排隊工作。
private volatile int state;//共享變量，使用volatile修飾保證線程可見性
狀態(tài)信息通過procted類型的getState，setState，compareAndSetState進行操作
AQS支持兩種同步方式：
1.獨占式
2.共享式
這樣方便使用者實現(xiàn)不同類型的同步組件，獨占式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，組合式的如ReentrantReadWriteLock?？傊?，AQS為使用提供了底層支撐，如何組裝實現(xiàn)，使用者可以自由發(fā)揮。
同步器的設計是基于模板方法模式的，一般的使用方式是這樣：
1.使用者繼承AbstractQueuedSynchronizer并重寫指定的方法。（這些重寫方法很簡單，無非是對于共享資源state的獲取和釋放）
2.將AQS組合在自定義同步組件的實現(xiàn)中，并調用其模板方法，而這些模板方法會調用使用者重寫的方法。
這其實是模板方法模式的一個很經(jīng)典的應用。
我們來看看AQS定義的這些可重寫的方法：
protected boolean tryAcquire(int arg) : 獨占式獲取同步狀態(tài)，試著獲取，成功返回true，反之為false
protected boolean tryRelease(int arg) ：獨占式釋放同步狀態(tài)，等待中的其他線程此時將有機會獲取到同步狀態(tài)；
protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式獲取同步狀態(tài)，返回值大于等于0，代表獲取成功；反之獲取失??；
protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式釋放同步狀態(tài)，成功為true，失敗為false
protected boolean isHeldExclusively() ： 是否在獨占模式下被線程占用。
關于AQS的使用，我們來簡單總結一下：
首先，我們需要去繼承AbstractQueuedSynchronizer這個類，然后我們根據(jù)我們的需求去重寫相應的方法，比如要實現(xiàn)一個獨占鎖，那就去重寫tryAcquire，tryRelease方法，要實現(xiàn)共享鎖，就去重寫tryAcquireShared，tryReleaseShared；最后，在我們的組件中調用AQS中的模板方法就可以了，而這些模板方法是會調用到我們之前重寫的那些方法的。也就是說，我們只需要很小的工作量就可以實現(xiàn)自己的同步組件，重寫的那些方法，僅僅是一些簡單的對于共享資源state的獲取和釋放操作，至于像是獲取資源失敗，線程需要阻塞之類的操作，自然是AQS幫我們完成了。
對于使用者來講，我們無需關心獲取資源失敗，線程排隊，線程阻塞/喚醒等一系列復雜的實現(xiàn)，這些都在AQS中為我們處理好了。我們只需要負責好自己的那個環(huán)節(jié)就好，也就是獲取/釋放共享資源state的姿勢T_T。很經(jīng)典的模板方法設計模式的應用，AQS為我們定義好頂級邏輯的骨架，并提取出公用的線程入隊列/出隊列，阻塞/喚醒等一系列復雜邏輯的實現(xiàn)，將部分簡單的可由使用者決定的操作邏輯延遲到子類中去實現(xiàn)即可。
自定義同步器
上面大概講了一些關于AQS如何使用的理論性的東西，接下來，我們就來看下實際如何使用，直接采用JDK官方文檔中的小例子來說明問題
1 package juc; 2 3 import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer; 4 5 /** 6 * Created by chengxiao on 2017/3/28. 7 */ 8 public class Mutex implements java.io.Serializable { 9 //靜態(tài)內部類，繼承AQS10 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {11 //是否處于占用狀態(tài)12 protected boolean isHeldExclusively() {13 return getState() == 1;14 }15 //當狀態(tài)為0的時候獲取鎖，CAS操作成功，則state狀態(tài)為1，16 public boolean tryAcquire(int acquires) {17 if (compareAndSetState(0, 1)) {18 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());19 return true;20 }21 return false;22 }23 //釋放鎖，將同步狀態(tài)置為024 protected boolean tryRelease(int releases) {25 if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();26 setExclusiveOwnerThread(null);27 setState(0);28 return true;29 }30 }31 //同步對象完成一系列復雜的操作，我們僅需指向它即可32 private final Sync sync = new Sync();33 //加鎖操作，代理到acquire（模板方法）上就行，acquire會調用我們重寫的tryAcquire方法34 public void lock() {35 sync.acquire(1);36 }37 public boolean tryLock() {38 return sync.tryAcquire(1);39 }40 //釋放鎖，代理到release（模板方法）上就行，release會調用我們重寫的tryRelease方法。41 public void unlock() {42 sync.release(1);43 }44 public boolean isLocked() {45 return sync.isHeldExclusively();46 }47 }
測試下這個自定義的同步器，我們使用之前文章中做過的并發(fā)環(huán)境下a++的例子來說明問題（a++的原子性其實最好使用原子類AtomicInteger來解決，此處用Mutex有點大炮打蚊子的意味，好在能說明問題就好）
TestMutex
測試結果：
加鎖前，a=279204 加鎖后，a=300000
源碼分析
我們先來簡單描述下AQS的基本實現(xiàn)，前面我們提到過，AQS維護一個共享資源state，通過內置的FIFO來完成獲取資源線程的排隊工作。（這個內置的同步隊列稱為"CLH"隊列）。該隊列由一個一個的Node結點組成，每個Node結點維護一個prev引用和next引用，分別指向自己的前驅和后繼結點。AQS維護兩個指針，分別指向隊列頭部head和尾部tail。
其實就是個雙端雙向鏈表。
當線程獲取資源失敗（比如tryAcquire時試圖設置state狀態(tài)失?。瑫粯嬙斐梢粋€結點加入CLH隊列中，同時當前線程會被阻塞在隊列中（通過LockSupport.park實現(xiàn)，其實是等待態(tài)）。當持有同步狀態(tài)的線程釋放同步狀態(tài)時，會喚醒后繼結點，然后此結點線程繼續(xù)加入到對同步狀態(tài)的爭奪中。
Node結點是AbstractQueuedSynchronizer中的一個靜態(tài)內部類，我們撿Node的幾個重要屬性來說一下
1 static final class Node { 2 /** waitStatus值，表示線程已被取消（等待超時或者被中斷）*/ 3 static final int CANCELLED = 1; 4 /** waitStatus值，表示后繼線程需要被喚醒（unpaking）*/ 5 static final int SIGNAL = -1; 6 /**waitStatus值，表示結點線程等待在condition上，當被signal后，會從等待隊列轉移到同步到隊列中 */ 7 /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */ 8 static final int CONDITION = -2; 9 /** waitStatus值，表示下一次共享式同步狀態(tài)會被無條件地傳播下去10 static final int PROPAGATE = -3;11 /** 等待狀態(tài)，初始為0 */12 volatile int waitStatus;13 /**當前結點的前驅結點 */14 volatile Node prev;15 /** 當前結點的后繼結點 */16 volatile Node next;17 /** 與當前結點關聯(lián)的排隊中的線程 */18 volatile Thread thread;19 /** ...... */20 }
獨占式
獲取同步狀態(tài)--acquire()
來看看acquire方法，lock方法一般會直接代理到acquire上
1 public final void acquire(int arg) {2 if (!tryAcquire(arg) &&3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))4 selfInterrupt();5 }我們來簡單理一下代碼邏輯：
a.首先，調用使用者重寫的tryAcquire方法，若返回true，意味著獲取同步狀態(tài)成功，后面的邏輯不再執(zhí)行；若返回false，也就是獲取同步狀態(tài)失敗，進入b步驟；
b.此時，獲取同步狀態(tài)失敗，構造獨占式同步結點，通過addWatiter將此結點添加到同步隊列的尾部（此時可能會有多個線程結點試圖加入同步隊列尾部，需要以線程安全的方 式添加）；
c.該結點以在隊列中嘗試獲取同步狀態(tài)，若獲取不到，則阻塞結點線程，直到被前驅結點喚醒或者被中斷。
addWaiter
為獲取同步狀態(tài)失敗的線程，構造成一個Node結點，添加到同步隊列尾部
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//構造結點 //指向尾結點tail
Node pred = tail; //如果尾結點不為空，CAS快速嘗試在尾部添加，若CAS設置成功，返回；否則，eng。
if (pred != null) {
node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node; return node;
}
}
enq(node); return node;
}
先cas快速設置，若失敗，進入enq方法
將結點添加到同步隊列尾部這個操作，同時可能會有多個線程嘗試添加到尾部，是非線程安全的操作。
以上代碼可以看出，使用了compareAndSetTail這個cas操作保證安全添加尾結點。
enq方法
private Node enq(final Node node) { for (;;) {
Node t = tail; if (t == null) { //如果隊列為空，創(chuàng)建結點，同時被head和tail引用
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) {//cas設置尾結點，不成功就一直重試
t.next = node; return t;
}
}
}
}
enq內部是個死循環(huán)，通過CAS設置尾結點，不成功就一直重試。很經(jīng)典的CAS自旋的用法，我們在之前關于原子類的源碼分析中也提到過。這是一種樂觀的并發(fā)策略。
最后，看下acquireQueued方法
acquireQueued
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) {//死循環(huán)
final Node p = node.predecessor();//找到當前結點的前驅結點
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前驅結點是頭結點，才tryAcquire，其他結點是沒有機會tryAcquire的。
setHead(node);//獲取同步狀態(tài)成功，將當前結點設置為頭結點。
p.next = null; // 方便GC
failed = false; return interrupted;
} // 如果沒有獲取到同步狀態(tài)，通過shouldParkAfterFailedAcquire判斷是否應該阻塞，parkAndCheckInterrupt用來阻塞線程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally { if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued內部也是一個死循環(huán)，只有前驅結點是頭結點的結點，也就是老二結點，才有機會去tryAcquire；若tryAcquire成功，表示獲取同步狀態(tài)成功，將此結點設置為頭結點；若是非老二結點，或者tryAcquire失敗，則進入shouldParkAfterFailedAcquire去判斷判斷當前線程是否應該阻塞，若可以，調用parkAndCheckInterrupt阻塞當前線程，直到被中斷或者被前驅結點喚醒。若還不能休息，繼續(xù)循環(huán)。
shouldParkAfterFailedAcquire
shouldParkAfterFailedAcquire用來判斷當前結點線程是否能休息
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { //獲取前驅結點的wait值
int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL)//若前驅結點的狀態(tài)是SIGNAL，意味著當前結點可以被安全地park
return true; if (ws > 0) { // ws>0，只有CANCEL狀態(tài)ws才大于0。若前驅結點處于CANCEL狀態(tài)，也就是此結點線程已經(jīng)無效，從后往前遍歷，找到一個非CANCEL狀態(tài)的結點，將自己設置為它的后繼結點
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 若前驅結點為其他狀態(tài)，將其設置為SIGNAL狀態(tài) compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
} return false;
}
若shouldParkAfterFailedAcquire返回true，也就是當前結點的前驅結點為SIGNAL狀態(tài)，則意味著當前結點可以放心休息，進入parking狀態(tài)了。parkAncCheckInterrupt阻塞線程并處理中斷。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);//使用LockSupport使線程進入阻塞狀態(tài)
return Thread.interrupted();// 線程是否被中斷過
}至此，關于acquire的方法源碼已經(jīng)分析完畢，我們來簡單總結下
a.首先tryAcquire獲取同步狀態(tài)，成功則直接返回；否則，進入下一環(huán)節(jié)；
b.線程獲取同步狀態(tài)失敗，就構造一個結點，加入同步隊列中，這個過程要保證線程安全；
c.加入隊列中的結點線程進入自旋狀態(tài)，若是老二結點（即前驅結點為頭結點），才有機會嘗試去獲取同步狀態(tài)；否則，當其前驅結點的狀態(tài)為SIGNAL，線程便可安心休息，進入阻塞狀態(tài)，直到被中斷或者被前驅結點喚醒。
釋放同步狀態(tài)--release()
當前線程執(zhí)行完自己的邏輯之后，需要釋放同步狀態(tài)，來看看release方法的邏輯
public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) {//調用使用者重寫的tryRelease方法，若成功，喚醒其后繼結點，失敗則返回false
Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);//喚醒后繼結點
return true;
} return false;出處： <http://www.cnblogs.com/chengxiao/>
本文版權歸作者和博客園共有，歡迎轉載，但未經(jīng)作者同意必須保留此段聲明，且在頁面明顯位置給出原文鏈接。
http://www.cnblogs.com/chengxiao/p/7141160.html
延伸閱讀
- 珊珊老師——北京IT機構十年一線教學經(jīng)驗 2024-08-28
- 向著Java前進 2023-04-15
- 2021年Java程序員的就業(yè)前景如何？ 2022-02-17
- 感謝萬碼，我認識到了java的魅力 2021-05-23
- 今天我成為了Java工程師 2021-05-23
- 做項目是我今后成功的重要基石 2021-05-19
- 我的JAVA生涯 ——解*泉 2020-01-15
- 以java為劍，仗劍走江湖—尚*權 2019-12-22
- 開啟我的java征途——鄭*亮 2019-11-06
- 我想這就是Java工程師的工作——劉*聰 2019-07-05
珊珊老師——北京IT機構十年一線教學經(jīng)驗