java多线程编程的核心——AQS独占模式原理解析
AQS是什么
#Java# concurrent包中有很多阻塞类如：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore、Synchronous、FutureTask等，他们的底层都是根据aqs构建的，它可以说是JAVA多线程编程最底层核心的抽象类。既然这么重要，我们就来看看它底层原理到底是什么。
aqs全称AbstractQueuedSynchronizer，它作为抽象类无法单独使用，需要有具体实现，不同的实现中自己定义什么状态意味着获取或者被释放
AQS的原理是什么
AQS内部维护一个先进先出（FIFO）的等待队列叫做CLH队列，当一个线程来请求资源时，AQS通过状态判断是否能获取资源，如果不能获取，则挂起这个线程，和状态一起封装成一个Node节点放在队尾，等待前面的线程释放资源好唤醒自己，所以谁先请求的谁最先获得机会唤醒,当然新线程可能加塞提前获取资源，在源码解析可以看到原因
aqs.jpg
AQS分独占和共享两种方式，独占模式，只有一个线程可以获得锁，比如ReentrantLock，共享模式下可以允许多个线程同时获取锁，比如CountDownLatch使用的就是共享方式，
源码解析
AQS的子类需要实现的方法
//独占方式获取资源
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//独占释放资源
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享获取资源
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//共享释放资源
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//是否独占
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
可以看到，子类调用这些方法如果没有实现的话会抛异常，当然也不是所有方法都要实现，找自己需要的实现就可以了。
为了更好的理解先实现一个最简单的锁,只需要实现tryAcquire和tryRelease方法即可
public class TestLock {
private Sync sync = new Sync();
//加锁
public void lock(){
sync.acquire(1);
}
//解锁
public void unLock(){
sync.release(1);
}
public static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
assert arg == 1;
//cas将状态从0设为1，如何不为0则失败
if(compareAndSetState(0,1)){
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
assert arg == 1;
if(getState() == 0){
throw new IllegalMonitorStateException();
}
//将状态设为0
setState(0);
return true;
}
}
}
再来写一个并发场景，简单的加法，先获取前值，用sleep模拟方法执行时间比较长,然后累加
public static void main(String[] args) {
final AddCount count = new AddCount();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for(int i = 0;i<3;i++){
executorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
count.add(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
public static class AddCount{
private int countTotle = 0;
public void add(int count) throws InterruptedException {
int tmp = this.countTotle;
Thread.sleep(100L);
this.countTotle = tmp+count;
System.out.println(this.countTotle);
}
}
//输出
100
100
100
在add方法加上自定义的的锁
public static void main(String[] args) {
final AddCount count = new AddCount();
final TestLock testLock = new TestLock();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for(int i = 0;i<3;i++){
executorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
testLock.lock();
count.add(100);
testLock.unLock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
//输出
100
200
300
根据这个简单的例子，我们来看一下源码中是怎么实现的
acquire
lock方法首先调用的是AQS的acquire方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
它会调用tryAcquire尝试去取锁，如果没有取到的话调用addWaiter将Node放入队尾，同样也使用CAS的方式，AQS中有大量CAS的使用，不了解CAS的可以看浅析乐观锁、悲观锁与CAS
这里有新的线程在执行第一个判断!tryAcquire(arg)时，如果刚好有线程释放锁，那新的线程很有可能插队直接获取到锁，也就是有队列也无法公平的原因。
private Node addWaiter(Node mode) {
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;
}
在尾部添加node，将node双向关联，如果成功则直接返回，这里有一个问题，在设置队尾的时候，没有并发控制，有另一个线程也来设置，就只会有一个线程成功，没成功的线程或者队尾为空则执行enq方法。
enq方法
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
这里看到如果tail是null,则cas设置head为一个新节点,也就是说第一个入队的节点head和tail是相同的。 如果队尾不为空，则用cas加自旋的方式放入队尾。
Node对象
node对象封装了状态和请求的线程以及前后节点的地址
static final class Node {
//共享节点
static final Node SHARED = new Node();
//非共享节点
static final Node EXCLUSIVE = null;
//取消状态（因超时或中断）
static final int CANCELLED = 1;
//等待唤醒
static final int SIGNAL = -1;
//等待条件
static final int CONDITION = -2;
//对应共享类型释放资源时，传播唤醒线程状态
static final int PROPAGATE = -3;
//当前状态
volatile int waitStatus;
//前一个节点
volatile Node prev;
//下一个节点
volatile Node next;
//请求的线程
volatile Thread thread;
Node nextWaiter;
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
//获取前一个节点，为空则抛空指针异常
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
}
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
没有使用condition，node常用的状态有 0 新建状态和 -1 挂起状态， waitStatus>0表示取消状态，而waitStatus<0表示有效状态。
acquireQueued
再看一下acquireQueued方法
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//获取前一个节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前一个节点是head,并且能获取锁，则将当前节点设置为head
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//判断前面节点的状态，中断当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
//失败了设置成取消状态
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
//如果前一个节点已经是等待状态，可以安全park
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
//如何前一个节点是取消状态了，则一直往前取，去掉取消状态的节点，直到状态不为取消状态的节点
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
//ws必须是0或-3才会走这里，第一个入队的节点是0状态，cas设置成-1待唤醒状态，下一次循环就返回true了，将线程挂起
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
//中断当前线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
这里的主要逻辑就是将新加入的节点设置为待唤醒状态，第一次抢到锁的线程不会进入队列，只有后续没有抢到的线程才进队列，进入队列的节点都进入中断状态，抢到锁的线程释放锁后唤醒head节点持有锁，锁被释放后会继续唤醒后面的节点代替之前的head成为新的head节点
release
释放锁的过程，调用release方法
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
//清除取消状态的节点
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;
}
//唤醒后一个等待的线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
调用LockSupport.unpark后，唤醒后一个中断的线程，队列剔除之前的head，这样往复，释放锁后继续唤醒后面的线程。
