【并发基础】AQS（Abstract Queued Synchronizer）框架的使用和实现原理详解
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Java并发包（JUC）中提供了很多并发工具，这其中，很多我们耳熟能详的并发工具，譬如ReentrangLock、Semaphore，它们的实现都用到了一个共同的基类--AbstractQueuedSynchronizer,简称AQS（抽象队列同步器）。AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。
本章我们就一起探究下这个神奇的东东，并对其实现原理进行剖析理解
1 基本实现原理
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。
private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性 状态信息通过procted类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作。 state表示被占用资源的线程个数，即大于0表示被占用状态
AQS支持两种同步方式：
1.独占式
2.共享式
这样方便使用者实现不同类型的同步组件，独占式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，组合式的如ReentrantReadWriteLock。总之，AQS为使用提供了底层支撑，如何组装实现，使用者可以自由发挥。
同步器的设计是基于模板方法模式的，一般的使用方式是这样：
1.使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）
2.将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方***调用使用者重写的方法。
这其实是模板方法模式的一个很经典的应用。
我们来看看AQS定义的这些可重写的方法：
- protected boolean tryAcquire(int arg) : 独占式获取同步状态，试着获取，成功返回true，反之为false
- protected boolean tryRelease(int arg) ：独占式释放同步状态，等待中的其他线程此时将有机会获取到同步状态；
- protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式获取同步状态，返回值大于等于0，代表获取成功；反之获取失败；
- protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态，成功为true，失败为false
- protected boolean isHeldExclusively() ： 是否在独占模式下被线程占用。
关于AQS的使用，我们来简单总结一下：
1.1 如何使用
首先，我们需要去继承AbstractQueuedSynchronizer这个类，然后我们根据我们的需求去重写相应的方法，比如要实现一个独占锁，那就去重写tryAcquire，tryRelease方法，要实现共享锁，就去重写tryAcquireShared，tryReleaseShared；最后，在我们的组件中调用AQS中的模板方法就可以了，而这些模板方法是会自动调用到我们之前重写的那些方法的。也就是说，我们只需要很小的工作量就可以实现自己的同步组件，重写的那些方法，仅仅是一些简单的对于共享资源state的获取和释放操作，至于像是获取资源失败，线程需要阻塞之类的操作，自然是AQS帮我们完成了。
1.2 设计思想
对于使用者来讲，我们无需关心获取资源失败，线程排队，线程阻塞/唤醒等一系列复杂的实现，这些都在AQS中为我们处理好了。我们只需要负责好自己的那个环节就好，也就是获取/释放共享资源state的姿势T_T。很经典的模板方法设计模式的应用，AQS为我们定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现即可。
2 自定义同步器
2.1 同步器代码实现
上面大概讲了一些关于AQS如何使用的理论性的东西，接下来，我们就来看下实际如何使用，直接采用JDK官方文档中的小例子来说明问题
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
public class Mutex implements java.io.Serializable {
//静态内部类，继承AQS
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//是否处于占用状态
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
//当状态为0的时候获取锁，CAS操作成功，则state状态为1，
public boolean tryAcquire(int acquires) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//释放锁，将同步状态置为0
protected boolean tryRelease(int releases) {
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
}
//同步对象完成一系列复杂的操作，我们仅需指向它即可
private final Sync sync = new Sync();
//加锁操作，***到acquire（模板方法）上就行，acquire会调用我们重写的tryAcquire方法
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
//释放锁，***到release（模板方法）上就行，release会调用我们重写的tryRelease方法。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
}
}
2.2 同步器代码测试
测试下这个自定义的同步器，我们使用之前文章中做过的并发环境下a++的例子来说明问题（a++的原子性其实最好使用原子类AtomicInteger来解决，此处用Mutex有点大炮打蚊子的意味，好在能说明问题就好）
import java.util.concurrent.CyclicBarrier; // 线程栅栏类
public class TestMutex {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(31); // 包括主线程一共31个线程
private static int a = 0;
private static Mutex mutex = new Mutex();
public static void main(String []args) throws Exception {
//说明:我们启用30个线程，每个线程对i自加10000次，同步正常的话，最终结果应为300000；
//未加锁前
for(int i=0;i<30;i++){
Thread t = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10000;i++){
increment1();//没有同步措施的a++；
}
try {
barrier.await();//等30个线程累加完毕
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t.start();
}
barrier.await();
System.out.println("加锁前，a="+a);
//加锁后
barrier.reset();//重置CyclicBarrier
a=0;
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10000;i++){
increment2();//a++采用Mutex进行同步处理
}
try {
barrier.await();//等30个线程累加完毕
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
barrier.await();
System.out.println("加锁后，a="+a);
}
/**
* 没有同步措施的a++
* @return
*/
public static void increment1(){
a++;
}
/**
* 使用自定义的Mutex进行同步处理的a++
*/
public static void increment2(){
mutex.lock();
a++;
mutex.unlock();
}
}
测试结果：
加锁前，a=279204
加锁后，a=300000
3 源码分析
我们先来简单描述下AQS的基本实现，前面我们提到过，AQS维护一个共享资源state，通过内置的FIFO来完成获取资源线程的排队工作。（这个内置的同步队列称为"CLH"队列）。该队列由一个一个的Node结点组成，每个Node结点维护一个prev引用和next引用，分别指向自己的前驱和后继结点。AQS维护两个指针，分别指向队列头部head和尾部tail。
其实就是个双向双向链表。
当线程获取资源失败（比如tryAcquire时试图设置state状态失败），会被构造成一个结点加入CLH队列中，同时当前线程会被阻塞在队列中（通过LockSupport.park实现，其实是等待态）。当持有同步状态的线程释放同步状态时，会唤醒后继结点，然后此结点线程继续加入到对同步状态的争夺中。
3.1 Node结点
Node结点是AbstractQueuedSynchronizer中的一个静态内部类，我们捡Node的几个重要属性来说一下
static final class Node {
/** waitStatus值，表示线程已被取消（等待超时或者被中断）*/
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus值，表示后继线程需要被唤醒（unpaking）*/
static final int SIGNAL = -1;
/**waitStatus值，表示结点线程等待在condition上，当被signal后，会从等待队列转移到同步到队列中 */
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
/** waitStatus值，表示下一次共享式同步状态会被无条件地传播下去
static final int PROPAGATE = -3;
/** 等待状态，初始为0 */
volatile int waitStatus;
/**当前结点的前驱结点 */
volatile Node prev;
/** 当前结点的后继结点 */
volatile Node next;
/** 与当前结点关联的排队中的线程 */
volatile Thread thread;
/** ...... */
}
以下方法都是AQS框架为我们提前编写好的模板方法，供我们直接调用，这些方***自动调用我们之前覆写的那几个方法来实现享用的功能。
3.2 独占式
3.2.1 获取同步状态--acquire()
来看看acquire方法，lock方法一般会直接***到acquire上（程序员自己将acquire方法***到自己编写的lock方法上）
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
} 我们来简单理一下代码逻辑：
a.首先，调用使用者重写的tryAcquire方法，若返回true，意味着获取同步状态成功，后面的逻辑不再执行；若返回false，也就是获取同步状态失败，进入b步骤；
b.此时，获取同步状态失败，构造独占式同步结点，通过addWatiter将此结点添加到同步队列的尾部（此时可能会有多个线程结点试图加入同步队列尾部，需要以线程安全的方 式添加）；
c.该结点以在队列中尝试获取同步状态，若获取不到（只有老二结点才能获取同步状态，其他结点都不能获取），则阻塞结点线程，直到被前驱结点唤醒或者被中断。
3.2.1.2 addWaiter
为获取同步状态失败的线程，构造成一个Node结点，添加到同步队列尾部
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//构造结点
//指向尾结点tail
Node pred = tail;
//如果尾结点不为空，CAS快速尝试在尾部添加，若CAS设置成功，返回；否则，eng。
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
先cas快速设置，若失败，进入enq方法
将结点添加到同步队列尾部这个操作，同时可能会有多个线程尝试添加到尾部，是非线程安全的操作。
以上代码可以看出，使用了compareAndSetTail这个cas操作保证安全添加尾结点。
3.2.1.3 enq方法
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { //如果队列为空，创建结点，同时被head和tail引用
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {//cas设置尾结点，不成功就一直重试
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq内部是个死循环，通过CAS设置尾结点，不成功就一直重试。很经典的CAS自旋的用法，我们在之前关于原子类的源码分析中也提到过。这是一种乐观的并发策略。
最后，看下acquireQueued方法
3.2.1.4 acquireQueued
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {//死循环
final Node p = node.predecessor();//找到当前结点的前驱结点
if (p == head && tryAcquire(arg)) {//如果前驱结点是头结点，才tryAcquire，其他结点是没有机会tryAcquire的。
setHead(node);//获取同步状态成功，将当前结点设置为头结点。
p.next = null; // 方便GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 如果没有获取到同步状态，通过shouldParkAfterFailedAcquire判断是否应该阻塞，parkAndCheckInterrupt用来阻塞线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued内部也是一个死循环，只有前驱结点是头结点的结点，也就是老二结点，才有机会去tryAcquire；若tryAcquire成功，表示获取同步状态成功，将此结点设置为头结点；若是非老二结点，或者tryAcquire失败，则进入shouldParkAfterFailedAcquire去判断判断当前线程是否应该阻塞，若可以，调用parkAndCheckInterrupt阻塞当前线程，直到被中断或者被前驱结点唤醒。若还不能休息，继续循环。
3.2.1.5 shouldParkAfterFailedAcquire
shouldParkAfterFailedAcquire用来判断当前结点线程是否能休息
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
//获取前驱结点的wait值
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)//若前驱结点的状态是SIGNAL，意味着当前结点可以被安全地park
return true;
if (ws > 0) {
// ws>0，只有CANCEL状态ws才大于0。若前驱结点处于CANCEL状态，也就是此结点线程已经无效，从后往前遍历，找到一个非CANCEL状态的结点，将自己设置为它的后继结点
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 若前驱结点为其他状态，将其设置为SIGNAL状态
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
若shouldParkAfterFailedAcquire返回true，也就是当前结点的前驱结点为SIGNAL状态，则意味着当前结点可以放心休息，进入parking状态了。
3.2.1.6 parkAncCheckInterrupt
parkAncCheckInterrupt阻塞线程并处理中断。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);//使用LockSupport使线程进入阻塞状态
return Thread.interrupted();// 线程是否被中断过
}
至此，关于acquire的方法源码已经分析完毕，我们来简单总结下
a.首先tryAcquire获取同步状态，成功则直接返回；否则，进入下一环节；
b.线程获取同步状态失败，就构造一个结点，加入同步队列中，这个过程要保证线程安全；
c.加入队列中的结点线程进入自旋状态（先自旋，等到判断不是老二结点之后才进入阻塞状态），若是老二结点（即前驱结点为头结点），才有机会尝试去获取同步状态(此时该结点就一直保持自选状态一直循环尝试获取同步状态)；否则，当其前驱结点的状态为SIGNAL，线程便可安心休息，进入阻塞状态，直到被中断或者被前驱结点唤醒。
3.2.2 释放同步状态--release()
当前线程执行完自己的逻辑之后，需要释放同步状态，来看看release方法的逻辑
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {//调用使用者重写的tryRelease方法，若成功，唤醒其后继结点，失败则返回false
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);//唤醒后继结点
return true;
}
return false;
}
3.2.2.1 unparkSuccessor:唤醒后继结点
private void unparkSuccessor(Node node) {
//获取wait状态
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);// 将等待状态waitStatus设置为初始值0
Node s = node.next;//后继结点
if (s == null || s.waitStatus > 0) {//若后继结点为空，或状态为CANCEL（已失效），则从后尾部往前遍历找到一个处于正常阻塞状态的结点进行唤醒
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);//使用LockSupprot唤醒结点对应的线程
} release的同步状态相对简单，需要找到头结点的后继结点进行唤醒，若后继结点为空或处于CANCEL状态，从后向前遍历找寻一个正常的结点，唤醒其对应线程。
3.3 共享式
共享式：共享式地获取同步状态。对于独占式同步组件来讲，同一时刻只有一个线程能获取到同步状态，其他线程都得去排队等待，其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquire返回值为boolean，这很容易理解；对于共享式同步组件来讲，同一时刻可以有多个线程同时获取到同步状态，这也是“共享”的意义所在。其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquireShared返回值为int。
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
1.当返回值大于0时，表示获取同步状态成功，同时还有剩余同步状态可供其他线程获取；
2.当返回值等于0时，表示获取同步状态成功，但没有可用同步状态了；
3.当返回值小于0时，表示获取同步状态失败。
3.3.1 获取同步状态--acquireShared
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)//返回值小于0，获取同步状态失败，排队去；获取同步状态成功，直接返回去干自己的事儿。
doAcquireShared(arg);
}
3.3.1.1 doAcquireShared
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//构造一个共享结点，添加到同步队列尾部。若队列初始为空，先添加一个无意义的傀儡结点，再将新节点添加到队列尾部
boolean failed = true;//是否获取成功
try {
boolean interrupted = false;//线程parking过程中是否被中断过
for (;;) {//死循环
final Node p = node.predecessor();//找到前驱结点
if (p == head) {//头结点持有同步状态，只有前驱是头结点，才有机会尝试获取同步状态
int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取同步装填
if (r >= 0) {//r>=0,获取成功
setHeadAndPropagate(node, r);//获取成功就将当前结点设置为头结点，若还有可用资源，传播下去，也就是继续唤醒后继结点
p.next = null; // 方便GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//是否能安心进入parking状态
parkAndCheckInterrupt())//阻塞线程
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
大体逻辑与独占式的acquireQueued差距不大，只不过由于是共享式，会有多个线程同时获取到线程，也可能同时释放线程，空出很多同步状态，所以当排队中的老二获取到同步状态，如果还有可用资源，会继续传播下去，即继续唤醒后继结点，让他们来获取剩下的可用资源。
3.3.1.2 setHeadAndPropagate
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
setHead(node);
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
3.3.2 释放同步状态--releaseShared
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();//释放同步状态
return true;
}
return false;
}
3.3.2.1 doReleaseShared
private void doReleaseShared() {
for (;;) {//死循环，共享模式，持有同步状态的线程可能有多个，采用循环CAS保证线程安全
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
unparkSuccessor(h);//唤醒后继结点
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
} 代码逻辑比较容易理解，需要注意的是，共享模式，释放同步状态也是多线程的，此处采用了CAS自旋来保证。
4 总结
关于AQS的介绍及源码分析到此为止了。
AQS是JUC中很多同步组件的构建基础，简单来讲，它内部实现主要是状态变量state和一个FIFO队列来完成，同步队列的头结点是当前获取到同步状态的结点，获取同步状态state失败的线程，会被构造成一个结点（或共享式或独占式）加入到同步队列尾部（采用自旋CAS来保证此操作的线程安全），随后线程会阻塞；释放时唤醒头结点的后继结点，使其加入对同步状态的争夺中。
AQS为我们定义好了顶层的处理实现逻辑，我们在使用AQS构建符合我们需求的同步组件时，只需重写tryAcquire，tryAcquireShared，tryRelease，tryReleaseShared几个方法，来决定同步状态的释放和获取即可，至于背后复杂的线程排队，线程阻塞/唤醒，如何保证线程安全，都由AQS为我们完成了，这也是非常典型的模板方法的应用。AQS定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现。
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