Java并发编程之四：AQS源码研究

柔情只为你懂 2023-06-12 06:26 99阅读 0赞

# *                          Java高并发专题之~~AQS源码研究* #

## 一、什么是AQS? ##

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，如下图所示。AQS为一系列同步器依赖于一个单独的原子变量（state）的同步器提供了一个非常有用的基础。子类们必须定义改变state变量的protected方法，这些方法定义了state是如何被获取或释放的。鉴于此，本类中的其他方法执行所有的排队和阻塞机制。子类也可以维护其他的state变量，但是为了保证同步，必须原子地操作这些变量。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

AbstractQueuedSynchronizer中对state的操作是原子的，且不能被继承。所有的同步机制的实现均依赖于对改变量的原子操作。为了实现不同的同步机制，我们需要创建一个非共有的（non-public internal）扩展了AQS类的内部辅助类来实现相应的同步逻辑。AbstractQueuedSynchronizer并不实现任何同步接口，它提供了一些可以被具体实现类直接调用的一些原子操作方法来重写相应的同步逻辑。AQS同时提供了互斥模式（exclusive）和共享模式（shared）两种不同的同步逻辑。一般情况下，子类只需要根据需求实现其中一种模式，当然也有同时实现两种模式的同步类，如ReadWriteLock。接下来将详细介绍AbstractQueuedSynchronizer的提供的一些具体实现方法。

## 二、AQS中的方法 ##

*同步状态state：*  
         AbstractQueuedSynchronizer维护了一个volatile int类型的变量，用户表示当前同步状态。volatile虽然不能保证操作的原子性，但是保证了当前变量state的可见性。至于[volatile][]的具体语义，可以参考相关文章。state的访问方式有三种:  
getState:获取当前的同步状态  
setState：设置当前同步状态  
compareAndSetState 使用CAS设置状态，保证状态设置的原子性  
这三种叫做均是原子操作，其中compareAndSetState的实现依赖于Unsafe的compareAndSwapInt()方法。

/**
         * The synchronization state.
         */
        private volatile int state;
    
        /**
         * Returns the current value of synchronization state.
         * This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
         * @return current state value
         */
        protected final int getState() {
            return state;
        }
    
        /**
         * Sets the value of synchronization state.
         * This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
         * @param newState the new state value
         */
        protected final void setState(int newState) {
            state = newState;
        }
    
        /**
         * Atomically sets synchronization state to the given updated
         * value if the current state value equals the expected value.
         * This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
         * and write.
         *
         * @param expect the expected value
         * @param update the new value
         * @return {@code true} if successful. False return indicates that the actual
         *         value was not equal to the expected value.
         */
        protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
            // See below for intrinsics setup to support this
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
        }

**自定义资源共享方式**

AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。  
  不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

·  isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
    ·  tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
    ·  tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
    ·  tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
    ·  tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0，表示未锁定状态)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但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。

## 三、自己实现一个类似于ReentranLock的锁 ##

package com.thread.day3;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    
    public class MyReentranLock implements Lock{
    
    	private MyLock syn = new MyLock();
    	
    	private static class MyLock extends AbstractQueuedSynchronizer {
    		
    		private static final long serialVersionUID = 1L;
    		
    		/**
    	     * 尝试以独占的方式获取资源，如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。
    	     * @param arg
    	     * @return
    	     */
    		@Override
    		protected boolean tryAcquire(int arg) {
    			if(compareAndSetState(0, 1)){
    				setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    				return true;
    			}
    			return false;
    		}
    		
    		/**
    		 * 尝试释放资源
    		 */
    		@Override
    		protected boolean tryRelease(int arg) {
    			if(getState() == 0) {
    				throw new UnsupportedOperationException();
    			}
    			setExclusiveOwnerThread(null);
    			setState(0);
    			return true;
    		}
    		
    		/**
    		 * 资源是否占用
    		 */
    		@Override
    		protected boolean isHeldExclusively() {
    			return getState() == 1;
    		}
    		
    		public Condition newCondition(){
    			return new ConditionObject();
    		}
    	}	
    
    	@Override
    	public void lock() {
    		syn.acquire(1);
    	}
    
    	@Override
    	public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
    		syn.acquireInterruptibly(1);
    	}
    
    	@Override
    	public boolean tryLock() {
    		return syn.tryAcquire(1);
    	}
    
    	@Override
    	public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    		return syn.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    	}
    
    	@Override
    	public void unlock() {
    		syn.release(1);
    	}
    
    	@Override
    	public Condition newCondition() {
    		return syn.newCondition();
    	}
    
    }

package com.thread.day3;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    
    public class TestMyLock {
        public void test() throws InterruptedException {
           // final Lock lock = new ReentrantLock();
        	 final Lock lock = new MyReentranLock();
            
            class Worker extends Thread {
                public void run() {
                	try {
    					method();
    				} catch (InterruptedException e) {
    				}
                }
                
                private void method() throws InterruptedException{
                    while (true) {
                        lock.lock();
                        try {
                        	TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        } finally {
                            lock.unlock();
                        }
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    }
                
                }
            }
            // 启动10个子线程
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Worker w = new Worker();
                w.setDaemon(true);
                w.start();
            }
            // 主线程每隔1秒换行
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
            	TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                System.out.println();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            TestMyLock testMyLock = new TestMyLock();
            testMyLock.test();
        }
    }

## 四、AQS中的数据结构-节点和同步队列 ##

分析类，首先就要分析底层采用了何种数据结构，抓住核心点进行分析，经过分析可知，AbstractQueuedSynchronizer类的数据结构如下

![format_png][]

说明：AbstractQueuedSynchronizer类底层的数据结构是使用双向链表，是队列的一种实现，故也可看成是队列，其中Sync queue，即同步队列（也叫等待队列），是双向链表，包括head结点和tail结点，head结点主要用作后续的调度。而Condition queue即条件队列队列不是必须的，其是一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单向链表（如Lock+Condition进行线程的阻塞唤醒）。并且可能会有多个Condition queue。Condition的具体实现类是AQS的内部类ConditionObject

![format_png 1][]

它维护了一个volatile int state（代表共享资源，state=0表示资源可获取，占用则state+1）和一个FIFO线程等待队列（一个双向链表。多线程争用资源被阻塞时会cas添加到队列尾部）。

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。

## **五、独****占式同步状态获取与释放** ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

### acquire(int arg) ###

acquire(int arg)方法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。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了.  
        通过调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，该方法对中断不敏感，也就是由于线程获取同步状态失败后进入同步队列中，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步队列移出。

/**
         * acquire方法是一种互斥模式，且忽略中断。该方法至少执行一次tryAcquire(int)方法，
         * 如果tryAcquire(int)方法返回true，则acquire直接返回，否则当前线程需要进入队列进行排队,函数流程如下：
         * 	1.tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
    	 *	2.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获取资源，一直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。
         * @param arg
         */
        public final void acquire(int arg) {
        	//tryAcquire()需要子类实现该方法
        	/**
        	 * 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。
        	 */
            if (!tryAcquire(arg) &&
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                selfInterrupt();
        }

tryAcquire(int arg) 是获取同步状态，addWaiter(Node node)是构建node节点并添加到队列尾部，acquireQuired(Node node,int arg)使得该节点以“死循环”的方式获取同步状态，selfInterrupt()是唤醒当前线程。如果获取不到则阻塞节点中的线程，而被阻塞线程的唤醒主要依靠前驱节点的出队或者阻塞线程被中断来实现。

### tryAcquire(int) ###

该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。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：

/**
         * tryAcquire尝试以独占的方式获取资源，如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。
         * 该方法可以用于实现Lock中的tryLock()方法。该方法的默认实现是抛出UnsupportedOperationException，具体实现由自定义的扩展了AQS的同步类来实现。
         * AQS在这里只负责定义了一个公共的方法框架。这里之所以没有定义成abstract，是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，
         * 而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。
         * @param arg
         * @return
         */
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

### addWaiter(Node) ###

该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。还是上源码吧：

/**
         * 该方法用于将当前线程根据不同的模式（Node.EXCLUSIVE互斥模式、Node.SHARED共享模式）加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点。
         * 如果队列不为空，则以通过compareAndSetTail方法以CAS的方式将当前线程节点加入到等待队列的末尾。否则，通过enq(node)方法初始化一个等待队列，并返回当前节点。
         * @param mode
         * @return
         */
        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;
            //尝试快速方式直接放到队尾。
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                //CAS，如果Tail是pred，则把Tail设置为node。
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            //上一步失败则通过enq入队。
            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。

不用再说了，直接看注释吧。这里我们说下Node。Node结点是对每一个访问同步代码的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身以及线程的状态，如是否被阻塞，是否等待唤醒，是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前被封装成Node结点的等待状态，共有4种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE。

*  CANCELLED：值为1，在同步队列中等待的线程等待超时或被中断，需要从同步队列中取消该Node的结点，其结点的waitStatus为CANCELLED，即结束状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
 *  SIGNAL：值为-1，被标识为该等待唤醒状态的后继结点，当其前继结点的线程释放了同步锁或被取消，将会通知该后继结点的线程执行。说白了，就是处于唤醒状态，只要前继结点释放锁，就会通知标识为SIGNAL状态的后继结点的线程执行。
 *  CONDITION：值为-2，与Condition相关，该标识的结点处于**等待队列**中，结点的线程等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将**从等待队列转移到同步队列中**，等待获取同步锁。
 *  PROPAGATE：值为-3，与共享模式相关，在共享模式中，该状态标识结点的线程处于可运行状态。
 *  0状态：值为0，代表初始化状态。

AQS在判断状态时，通过用waitStatus>0表示取消状态，而waitStatus<0表示有效状态。

### enq(Node) ###

enq(Node)方法用于将node加入队尾。源码如下：

/**
         * 用于将当前节点插入等待队列，如果队列为空，则初始化当前队列。
         * 整个过程以CAS自旋的方式进行，直到成功加入队尾为止。
         * @param node
         * @return
         */
        private Node enq(final Node node) {
            for (;;) {//CAS"自旋"，直到成功加入队尾
                Node t = tail;
                if (t == null) { // Must initialize // 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;
                    }
                }
            }
        }

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**。

### acquireQueued(Node, int)　 ###

OK，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**。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事：**在等待队列中排队拿号（中间没其它事干可以休息），直到拿到号后再返回**。这个函数非常关键，还是上源码吧：

/**
         * 此方法用于队列中的线程自旋式地以独占且不可中断的方式获取同步状态（acquire），直到拿到锁之后再返回。
         * 该方法的实现分成两部分：
         * 	如果当前节点的前置节点是头结点，且尝试获取锁（tryAcquire）成功，则将当前节点设置为头节点，然后返回；
         * 	否则检查当前节点是否应该被park，然后将该线程park并且检查当前线程是否被可以被中断。
         * @param node
         * @param arg
         * @return
         */
        final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
            try {
            	/**
            	 * 1.结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
    			 * 2.调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
    			 * 3.被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。
            	 */
                boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过
                for (;;) {
                    final Node p = node.predecessor();//获取当前节点的前节点
                  //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)) {// 若前节点为head，并且自己获取同步成功，说明前节点线程已经执行结束
                    	//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。
                    	setHead(node);
                        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;
                        return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
                    }
                    //如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())//这里会将线程挂起
                        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)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。

### shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) ###

shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)会挂起线程，该方法主要作用是根据前节点判断当前线程是否应该被阻塞，如果前节点处于CANCELLED状态，则顺便删除这些节点。阻塞的方法在parkAndCheckInterrupt中的LockSupport.park(this)，这里最终调用了UNSAFE.park(false,0l)这个本地方法。关于LockSupport跟UNSAFE，可以参考：[https://blog.csdn.net/secsf/article/details/78560013][https_blog.csdn.net_secsf_article_details_78560013]

/**
         * 通过对当前节点的前一个节点的状态进行判断，对当前节点做出不同的操作
         * 1 CANCELLED：线程等待超时或者被中断了，需要从队列中移走
    	 * -1 SIGNAL：后续的节点等待状态，当前节点，通知后面的节点去运行
    	 * -2 CONDITION :当前节点处于等待队列
    	 * -3 PROPAGATE：共享，表示状态要往后面的节点传播
    	 * 0: 表示初始状态
         * 
         * @param pred
         * @param node
         * @return
         */
        private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
            int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态
            if (ws == Node.SIGNAL)
                /*
                 * This node has already set status asking a release
                 * to signal it, so it can safely park.
                 */
            	//如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了
                return true;
            if (ws > 0) {
            	/*
                 * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。
                 * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！
                 */
                do {
                    node.prev = pred = pred.prev;
                } while (pred.waitStatus > 0);
                pred.next = node;
            } else {
                /*
                 * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
                 * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
                 * retry to make sure it cannot acquire before parking.
                 */
            	//如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！
                compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
            }
            return false;
        }

整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

### parkAndCheckInterrupt() ###

如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。

/**
         * 该方法让线程去休息，真正进入等待状态。park()会让当前线程进入waiting状态。
         * 在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。
         * 需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。
         * @return
         */
        private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
            LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态
            return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。
        }

park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。（再说一句，如果线程状态转换不熟，可以参考本人写的[Thread详解][Thread]）。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。

OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：

1.  结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
2.  调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
3.  被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。

acquireQueued()分析完之后，我们接下来再回到acquire()！再贴上它的源码吧：

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

**再来总结下它（acquire()）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。（自旋查看前驱是否是head，即该结点已成老二，如果是则去tryAcquire()尝试获取资源）
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：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

至此，acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源码吧，整个函数就是一条acquire(1)！！

### release(int) ###

上一小节已经把acquire()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此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。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。

同步状态的释放是通过同步器的release(int arg)进行的，该方法在释放了同步状态后会唤醒其后继节点(进而使后继节点重新尝试获取同步状态)。（此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。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。）代码如下：

/**
         * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or
         * more threads if {@link #tryRelease} returns true.
         * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
         *
         * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
         *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
         *        can represent anything you like.
         * @return the value returned from {@link #tryRelease}
         */
        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(int)  ###

tryRelease(int)方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：

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。

### unparkSuccessor(Node) ###

资源释放成功后会调用unparkSuccessor(Node)方法用于唤醒等待队列中下一个线程,下面是源码：

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)
                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**，这里我们也用s来表示吧。此时，再和acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断（即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立啦），然后s把自己设置成head标杆结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了！！And then, DO what you WANT!

## 六、共享模式下的同步状态获取与释放 ##

### acquireShared(int) ###

此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码：

public final void acquireShared(int arg) {
        	//获取同步状态的返回值大于等于0时表示可以获取同步状态
            //小于0时表示可以获取不到同步状态  需要进入队列等待
            if (tryAcquireShared(arg) < 0)
                doAcquireShared(arg);
        }

这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是：

1.  tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
2.  失败则通过doAcquireShared()进入等待队列，直到获取到资源为止才返回。

### doAcquireShared() ###

此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。下面是doAcquireShared()的源码：

/**
         * Acquires in shared uninterruptible mode.
         * @param arg the acquire argument
         */
        private void doAcquireShared(int arg) {
            final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
            boolean failed = true;//是否成功标志
            try {
                boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
                for (;;) {
                    final Node p = node.predecessor();//获取该节点的前驱，当前节点为尾节点
                    if (p == head) {//前节点是head，则再次获取锁
                        int r = tryAcquireShared(arg);// 这个tryAcquireShared()的返回值是共享资源的剩余量，就是还可以允许访问的线程数
                        if (r >= 0) {//如果获取到了锁，进行相关设置
                            setHeadAndPropagate(node, r);// 进行head节点替换，并且如果剩余量有剩余，则继续往下传递
                            p.next = null; // help GC
                            if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
                                selfInterrupt();
                            failed = false;
                            return;
                        }
                    }
                    //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())//没获取到锁，则将线程挂起
                        interrupted = true;
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

有木有觉得跟acquireQueued()很相似？对，其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了，而独占模式是放到acquireQueued()之外，其实都一样，不知道Doug Lea是怎么想的。

跟独占模式比，还有一点需要注意的是，这里只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了，假如老大用完后释放了5个资源，而老二需要6个，老三需要1个，老四需要2个。老大先唤醒老二，老二一看资源不够，他是把资源让给老三呢，还是不让？答案是否定的！老二会继续park()等待其他线程释放资源，也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式，同一时刻只有一个线程去执行，这样做未尝不可；但共享模式下，多个线程是可以同时执行的，现在因为老二的资源需求量大，而把后面量小的老三和老四也都卡住了。当然，这并不是问题，只是AQS保证严格按照入队顺序唤醒罢了（保证公平，但降低了并发）。

### setHeadAndPropagate(Node, int) ###

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; 
        setHead(node);//head指向自己
         //如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();
        }
    }

此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式！

doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。

OK，至此，acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：

1.  tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
2.  失败则通过doAcquireShared()进入等待队列park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。

其实跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个**自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作（这才是共享嘛）**。

### releaseShared() ###

上一小节已经把acquireShared()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享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，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码：

public final boolean releaseShared(int arg) {
            if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源
                doReleaseShared();//唤醒后继结点
                return true;
            }
            return false;
        }

此方法的流程也比较简单，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。例如，资源总量是13，A（5）和B（7）分别获取到资源并发运行，C（4）来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量，然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看只有3个仍不够继续等待；随后B又释放2个，tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看有5个够自己用了，然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源（state=0）才返回true，所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。

### doReleaseShared() ###

此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：

private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            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
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;
            }
            if (h == head)// head发生变化
                break;
        }
    }

我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码，相信大家都有一定认识了。值得注意的是，acquire()和acquireSahred()两种方法下，线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是，这里相应的源码跟acquire()和acquireSahred()差不多，这里就不再详解了。

小结：

通过前边几个章节的学习，相信已经基本理解AQS的原理了。这里再将“框架”一节中的一段话复制过来：

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。**自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可**，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

*  isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
 *  tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
 *  tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
 *  tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
 *  tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

**AQS应用**

AQS被大量的应用在了同步工具上。

ReentrantLock：ReentrantLock类使用AQS同步状态来保存锁重复持有的次数。当锁被一个线程获取时，ReentrantLock也会记录下当前获得锁的线程标识，以便检查是否是重复获取，以及当错误的线程试图进行解锁操作时检测是否存在非法状态异常。ReentrantLock也使用了AQS提供的ConditionObject，还向外暴露了其它监控和监测相关的方法。

ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock类使用AQS同步状态中的16位来保存写锁持有的次数，剩下的16位用来保存读锁的持有次数。WriteLock的构建方式同ReentrantLock。ReadLock则通过使用acquireShared方法来支持同时允许多个读线程。

Semaphore：Semaphore类（信号量）使用AQS同步状态来保存信号量的当前计数。它里面定义的acquireShared方法会减少计数，或当计数为非正值时阻塞线程；tryRelease方法会增加计数，在计数为正值时还要解除线程的阻塞。

CountDownLatch：CountDownLatch类使用AQS同步状态来表示计数。当该计数为0时，所有的acquire操作（对应到CountDownLatch中就是await方法）才能通过。

FutureTask：FutureTask类使用AQS同步状态来表示某个异步计算任务的运行状态（初始化、运行中、被取消和完成）。设置（FutureTask的set方法）或取消（FutureTask的cancel方法）一个FutureTask时会调用AQS的release操作，等待计算结果的线程的阻塞解除是通过AQS的acquire操作实现的。

SynchronousQueues：SynchronousQueues类使用了内部的等待节点，这些节点可以用于协调生产者和消费者。同时，它使用AQS同步状态来控制当某个消费者消费当前一项时，允许一个生产者继续生产，反之亦然。

除了这些j.u.c提供的工具，还可以基于AQS自定义符合自己需求的同步器。

内容借鉴博客：[https://www.cnblogs.com/twoheads/p/9564461.html][https_www.cnblogs.com_twoheads_p_9564461.html]

## **六、Condition分析** ##

### 1.简单介绍 ###

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；  
        Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()   
        调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用。  
        我们知道，任何对象都可以作为监视器，而监视器都有wait()方法和notify()、notifyAll()等方法，而Condition接口也有类似的方法，如await()、signal()和signalAll()方法，他们的作用和监视器大同小异。在AQS中，有一个内部类ConditionObject，他就实现了Conditon接口。

**Condition接口与监视器的区别：**

**![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]**

可以看出，condition的功能比监视器要更完善，尤其是可以有多个等待队列（构造多个Condition对象）。

同时，Condition是与lock接口挂钩的，他依附于lock接口，必须通过lock接口获取到Condition对象。

Condition的使用及等待队列可参考[https://blog.csdn.net/bohu83/article/details/51098106][https_blog.csdn.net_bohu83_article_details_51098106]

一个Condition包含一个等待队列

![20191101145518517.png][]

同步队列与等待队列

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

await方法

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

signal方法

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

补充等待队列及Condition接口的await() signal()方法的流程图

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzQxNjY5OTE5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230531/78a07f7920c04d07acd2959158890107.png
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