Java 多线程与并发（六）：AQS

我们前面几张提到过，JUC 这个包里面的工具类的底层就是使用 CAS 和 volatile 来保证线程安全的，整个 JUC 包里面的类都是基于它们构建的。今天我们介绍一个非常重要的同步器，这个类是 JDK 在 CAS 和 volatile 的基础上为我们提供的一个同步工具类。

背景

AbstractQueuedSynchronizer，JDK 1.5 引入了 JUC 包，这个包提供了一些列支持并发的组件，这些组件是一些列同步器，他们主要完成以下功能：

内部状态的管理和更新，比如表示一个锁的状态是获取还是释放。
线程同步状态阻塞。
线程同步状态释放。

AQS 是一个小框架，基于这个框架我们可以实现很多的同步器，ReentrantLock，CountDownLatch，Semaphore 等都是基于 AQS 实现的。

功能

独占锁：每次只有一个线程能够持有锁，比如前面给大家演示的 ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁。
共享锁：允许多个线程同时获取锁，并发访问共享资源，比如 ReentrantReadWriteLock。

设计思想

同步器的核心方法是 acquire 和 release 操作。

acquire

while(当前同步器的状态不允许获取操作){

如果当前线程不再队列中，将其加入队列

阻塞当前线程

}

线程如果位于队列中，将其移出队列

release

更新同步器的状态

if(新的状态允许某个被阻塞的线程获取成功)

解除队列中一个或多个线程的阻塞状态。

从上面的操作思想中我们可以提出三大关键操作：同步器状态变更，线程阻塞和释放，插入和移出队列。由此可以引申出三个基本组件：

同步器状态的原子性管理
线程阻塞与解除阻塞
队列的管理

同步状态

AQS 类使用 int 值来保存同步状态，并且暴露出 getState，setState 和 compareAndSet 操作来读取和更新这个同步状态。线程通过修改（加/减指定的数量）码是否成功来决定当前线程是否成功获取到同步状态。

State 被声明成了 volatile，保证了可见性和有序性。又通过 CAS 指令来实现 compareAndSet ，使得当且仅当同步状态拥有一个一致的期望值的时候，才会被原子地设置成新值，这样就保证了同步状态的原子性。

阻塞

直到 JSR166，阻塞线程和解除线程阻塞都是基于 Java 的内置管程。

JUC 包使用 LockSupport 类来解决这个问题。LockSupport.park 阻塞当前线程直到有 LockSupport.unpark 方法被调用。

队列

整个框架的核心就是如何管理线程阻塞队列，该队列是严格的 FIFO 队列，因此不支持线程优先级的同步。同步队列的最佳选择是自身没有使用底层锁来构造的非阻塞数据结构。这里采用了 CLH 锁。

CLH队列实际并不那么像队列，它的入队和出队与实际的业务密切相关。它是一个链表队列。用过 AQS 的两个字段 head(头节点) 和 tail(尾节点)来存取，这两个字段初始化的时候都指向了一个空节点。

入队操作：

CLH 队列是 FIFO 队列，所以新的节点来到的时候，是要插入到当前队列的尾节点之后。当一个线程获取到同步状态之后，其他线程无法获取，转而被构造成节点加入到同步队列中，而且这个加入队列的过程必须要保证线程安全，因此使用了 CAS方法，它需要传递当前线程认为的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。

出队操作：

因为是 FIFO 队列，所以能成功获取到 AQS 同步状态的必定是首节点，首节点的线程在释放同步状态时，会唤醒后续节点，而后续节点会在获取 AQS 同步状态成功的时候将自己设置为首届点。设置首节点是由获取同步成功的线程来完成的，所以不需要像入队这样的 CAS 操作。

条件队列

上一节是 AQS 的同步队列，这一节是条件队列。AQS 只有一个同步队列，但是可以有多个条件队列。AQS 框架提供了一个 ConditionObject 类，给维护独占同步的类以及实现 Lock 接口的类使用。

ConditionObject 类和 AQS 共用了内部节点，有自己单独的条件队列。Singal 操作是通过将节点从条件队列转移到同步队列来实现的。

singal：

await：

方法结构

组件	数据结构
同步状态	volatile int state
阻塞	LockSupport类
队列	Node节点
条件队列	ConditionObject

源代码

我们通过独占式同步状态的释放和获取，以及共享式同步状态的释放和获取来看看 AQS 是如何实现的。

独占式

public final void acquire(int arg) {

    if (!tryAcquire(arg) &&

        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

        selfInterrupt();

}

上述代码主要完成了同步状态的获取，节点构造，加入同步队列以及在同步队列中自旋等待等相关工作。

调用子类实现的 tryAcquire 方法，该方法保证线程安全同时获取同步状态。
获取同步状态失败，则构造独占式同步节点。
通过 addWriter 将该节点加入到同步队列的尾部。
最后通过 acquireQueued 方法，使得该节点以自选的方式获取同步状态。

来看看节点构造和加入队列的实现：

private Node addWaiter(Node mode) {

        // 当前线程构造成Node节点

        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure

        // 尝试快速在尾节点后新增节点 提升算法效率 先将尾节点指向pred

        Node pred = tail;

        if (pred != null) {

            //尾节点不为空  当前线程节点的前驱节点指向尾节点

            node.prev = pred;

            //并发处理 尾节点有可能已经不是之前的节点 所以需要CAS更新

            if (compareAndSetTail(pred, node)) {

                //CAS更新成功 当前线程为尾节点 原先尾节点的后续节点就是当前节点

                pred.next = node;

                return node;

            }

        }

        //第一个入队的节点或者是尾节点后续节点新增失败时进入enq

        enq(node);

        return node;

    }

private Node enq(final Node node) {

        for (;;) {

            Node t = tail;

            if (t == null) { // Must initialize

                //尾节点为空  第一次入队  设置头尾节点一致 同步队列的初始化

                if (compareAndSetHead(new Node()))

                    tail = head;

            } else {

                //所有的线程节点在构造完成第一个节点后 依次加入到同步队列中

                node.prev = t;

                if (compareAndSetTail(t, node)) {

                    t.next = node;

                    return t;

                }

            }

        }

    }

节点进入同步队列后，就进入了一个自旋的过程，每个线程节点都在自旋地观察，当条件满足，获取到了同步状态，就可以从自旋过程中退出，否则依旧自旋。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {

    boolean failed = true;

    try {

        boolean interrupted = false;

        for (;;) {

            //获取当前线程节点的前驱节点

            final Node p = node.predecessor();

            //前驱节点为头节点且成功获取同步状态

            if (p == head && tryAcquire(arg)) {

                //设置当前节点为头节点

                setHead(node);

                p.next = null; // help GC

                failed = false;

                return interrupted;

            }

            //是否阻塞

            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                parkAndCheckInterrupt())

                interrupted = true;

        }

    } finally {

        if (failed)

            cancelAcquire(node);

    }

}

shouldParkAfterFailedAcquire 和 parkAndCheckInterrupt 阻塞线程的过程。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {

        //前驱节点的状态决定后续节点的行为

　　　　 int ws = pred.waitStatus;

        if (ws == Node.SIGNAL)

            /*前驱节点为-1 后续节点可以被阻塞

             * This node has already set status asking a release

             * to signal it, so it can safely park.

             */

            return true;

        if (ws > 0) {

            /*

             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and

             * indicate retry.

             */

            do {

                node.prev = pred = pred.prev;

            } while (pred.waitStatus > 0);

            pred.next = node;

        } else {

            /*前驱节点是初始或者共享状态就设置为-1 使后续节点阻塞

             * 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.

             */

            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

        }

        return false;

    }

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {

        //阻塞线程

        LockSupport.park(this);

        return Thread.interrupted();

    }

当获取同步状态成功之后，对于锁这种并发组件而言，就意味着当前线程获取到了锁。

再看 release 方法：

head节点表示获取锁成功的节点，当头结点在释放同步状态时，会唤醒后继节点，如果后继节点获得锁成功，会把自己设置为头结点，节点的变化过程如下。修改head节点指向下一个获得锁的节点，新的获得锁的节点，将prev的指针指向null。

public final boolean release(int arg) {

        if (tryRelease(arg)) {//同步状态释放成功

            Node h = head;

            if (h != null && h.waitStatus != 0)

                //直接释放头节点

                unparkSuccessor(h);

            return true;

        }

        return false;

    }

private void unparkSuccessor(Node node) {

        /*

         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try

         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this

         * fails or if status is changed by waiting thread.

         */

        int ws = node.waitStatus;

        if (ws < 0)

            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

        /*寻找符合条件的后续节点

         * Thread to unpark is held in successor, which is normally

         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,

         * traverse backwards from tail to find the actual

         * non-cancelled successor.

         */

        Node s = node.next;

        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;

        }

        if (s != null)

            //唤醒后续节点

            LockSupport.unpark(s.thread);

    }

总结：在获取同步状态时，同步器维护一个同步队列，获取状态失败的线程都会被加入到队列中进行自旋。移除的条件是前驱节点是头节点并且成功获取了同步状态。释放时，会唤醒头节点的后继节点。

应用

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表示，以便检查是否重复获取。

ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock 使用 AQS 同步状态中的 16 为来保存写锁的持有次数，剩下的 16 为来保存读锁的持有次数。WriteLock 的构建方式和 ReentrantLock 一样。ReadLock 则通过使用 acquireShared 方法来支持同时允许多个读线程。

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

CountDownLatch：使用 AQS 同步状态来表示计数。当该计数为 0 时，所有的 acquire 方法才能通过。

FutureTask：使用 AQS 的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阻塞解除是通过 AQS 的 acquire 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。

流程图

多线程并发修改同步状态，修改成功的线程标记为拥有同步状态。
获取失败的线程，加入到同步队列的队尾；加入到队列中后，如果当前节点的前驱节点为头节点再次尝试获取同步状态（下文代码：p == head && tryAcquire(arg)）。
如果头节点的下一个节点尝试获取同步状态失败后，会进入等待状态；其他节点则继续自旋。
当线程执行完相应逻辑后，需要释放同步状态，使后继节点有机会同步状态（让出资源，让排队的线程使用）。这时就需要调用release(int arg)方法。调用该方法后，会唤醒后继节点。
后继节点获取同步状态成功，头节点出队。需要注意的事，出队操作是间接的，有节点获取到同步状态时，会将当前节点设置为head，而原本的head设置为null。
当同步队列中头节点唤醒后继节点时，此时可能有其他线程尝试获取同步状态。
假设获取成功，将会被设置为头节点。
头节点后续节点获取同步状态失败。
共享模式和独占模式最主要的区别是在支持同一时刻有多个线程同时获取同步状态。为了避免带来额外的负担，在上文中提到的同步队列中都是用独占模式进行讲述，其实同步队列中的节点应该是独占和共享节点并存的。
共享节点尝试获取同步状态。
当一个同享节点获取到同步状态，并唤醒后面等待的共享状态的结果如下图所示：
最后，获取到同步状态的线程执行完毕，同步队列中只有一个独占节点：