AQS源码分析 | 易学教程

AQS全程为AbstractQueuedSynchronizer，其定义了一套多线程访问共享资源的同步框架，大部分的同步类的实现都依赖于他，比如ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock, Semaphore， CountDownLatch等等；

AQS的内容包括了以下几个方面：

1) AQS实现线程阻塞和唤醒的基础：LockSupport；

2) AQS子类（自定义同步器）；

3) 队列；

4) 独占模式资源请求；

5) 共享模式资源请求；

6) 其他细节；

一、LockSupport：

封装了unsafe的park/unpark接口，提供了阻塞线程和唤醒线程的功能，park/unpark的声明原型为：

　　public native void unpark(Thread jthread);

　　publicnativevoid park(boolean isAbsolute, long time);

isAbsolute参数表示是否是绝对时间，time参数表示时间值，在LockSupport中的实现代码如下：

二、自定义同步器：

AQS提供了两种资源共享方式：独占模式和共享模式；

AQS提供了同步器的框架代码，需要派生子类来实现自定义同步器，自定义同步器在实现时只需要重载资源请求的接口函数即可，在这些接口函数中实现共享资源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：

序号	接口函数	说明
1	isHeldExclusively()	线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
2	tryAcquire(int)	独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
3	tryRelease(int)	独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
4	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。
5	tryReleaseShared(int)	共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

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、队列：

当一个线程调用tryAcquire请求资源时，如果成功则直接返回，如果其他线程已经占用着并且还未释放，则tryAcquire会返回失败，然后将这个线程和模式（共享模式还是独占模式）添加到队列尾部，并且调用unsafe.park对这个线程进行阻塞，直到当前执行的线程执行完成后调用unsafe.unpark唤醒下一个阻塞的线程，也就是返回下一个阻塞线程自旋代码中的unsafe.park调用处，然后下一个阻塞线程得以继续执行并请求tryAcquire（这时一般返回成功）；

队列的结构如下：

该队列被定义成一个FIFO队列，每一个节点被定义为Node，Node的结构定义如下：

static final class Node {

volatile Thread thread;

volatile Node prev;

volatile Node next;

volatile int waitStatus;

Node nextWaiter;

}

节点属性的说明信息：

从同步队列节点Node的WaitStatus状态可以看出，当waitStatus > 0 时表示节点所在线程被cancel掉了，如果waitStatus < 0 表示前一个节点的线程执行完成后需要通知唤醒下一个节点的线程，如果waitStatus = 0 表示初始状态；

同步器AQS的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现他的抽象方法来管理同步状态，实现过程中免不了要对同步状态（上图中的资源State）进行修改，AQS对同步状态State提供了三个接口函数：getState， setState(int newState)， compareAndSetState(int except, int update)；

四、独占模式资源请求:

(一) 请求资源：

此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。

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。

1. tryAcquire：

本接口在AQS中没有实现，留到自定义同步器中去实现；

本接口没有定义成abstract的原因是：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；

2. addWaiter：

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。

先将当前线程和独占模式一起构造一个Node节点，如果尾节点tail不为空，则将Node添加到tail的后面，如果tail节点为空，说明链表是空的，则将head和tail节点都设置为节点Node；

3. acquireQueued：

首先这个函数是一个自旋过程，在不停的自旋中当前线程去请求获取资源（tryAcruire），如果请求成功，则将node设置为head节点并返回，如果请求失败，则判断node的前一个有效节点是不是head，并且head.waitStatus是不是SIGNAL，如果是则阻塞当前线程，直到head节点所在线程执行完成触发unsafe.unpark或者node所在的线程被中断时才返回继续执行，继续执行时再次的自旋，重复上面的过程，直到资源请求（tryAcquire）成功；

shouldParkAfterFailedAcquire函数判断node节点的前一个节点的waitStatus如果是SIGNAL（SIGNAL状态表示所在线程执行完成后自动通知下一个节点）则直接返回，如果不是则设置成SIGNAL，如果node的前一个节点的线程已经cancel了（或者再往前还有好多节点都是已经cancel的），则把这些已经cancel的无引用链节点全部去掉（去掉后就可以由java的自动内存回收机制进行自动回收）；

parkAndCheckInterrupt会调用LockSupport.park阻塞Node节点所在的线程，直到head节点所在的线程执行完成调用unsafe.unpark或者中断了Node节点所在的线程时才返回继续执行；

注意：返回Thread.interrupted后同时清除了线程的interrupted标记；

4. selfInterrupt：

中断当前线程（如果在parkAndCheckInterrupt中返回了线程被中断，则在自旋中不做中断处理，而是在这里中断当前线程）；

总结下来，请求资源函数（Acquire()）的处理流程图为：

(二) 释放资源：

此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。

他的功能是释放指定量的资源，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。

流程：

1、先调用tryRelease释放资源（release函数根据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！！）；

2、如果释放资源成功，则调用unparkSuccessor来唤醒等待队列里的下一个线程；

1、 tryRelease：

在AQS中无实现，仅仅抛出一个异常，留待自定义同步器自己去实现；

2、 unparkSuccessor：

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；

首先如果当前线程所在节点的waitStatus不为0，则设置为0；然后找到当前线程所在节点（也就是head节点）的下一个有效的节点，调用LockSupport.unpark唤醒这个有效的节点的线程；

五、共享模式资源请求：

(一) 请求资源：

共享模式下线程获取共享资源的顶层入口函数是acquireShared；这个函数获取指定量的资源，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。

1) tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回（AQS中的tryAcquireShared依然只是抛出一个异常，留待自定义同步器去实现）；

AQS中定义好了tryAcquireShared返回值的意义：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。

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。

1、doAcquireShared：

与独占模式下的请求资源函数doAcquire基本相同，所不同的是只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会调用setHeadAndPropagate函数去唤醒之后的队友（独占模式下因为只允许一个线程，因此唤醒当前线程的下一个有效线程即可，而共享模式下允许多个线程，只要资源还有剩余就要去继续唤醒剩下的线程）。

首先构造一个SHARED节点node添加到队列尾端，如果他的前置节点是head的话就尝试去获取资源（tryAcquireShared()），如果成功则将node设置为head，然后如果刚刚获取的资源还有多余的话就调用setHeadAndPropagate函数去继续唤醒其他线程；如果获取失败则阻塞node节点所在线程，直到当前线程结束后调用了unsafe.unpark或者终止了node节点所在的线程时才返回继续尝试自旋获取资源；

2、setHeadAndPropagate：

首先将node设置为head节点，然后判断共享资源如果还有多余，并且head节点的下一个节点是共享模式的，则调用doReleaseShared来继续唤醒其他节点；

3、 doReleaseShared：

如果head节点的waitStatus是SIGNAL，则设置为0，并且继续唤醒后续节点，否则如果waitStatus为0时（表示head节点所在线程还未执行完成），设置head节点的waitStatus为Propagate（Propagate表示共享模式下可以继续唤醒后续节点）

unparkSuccessor函数调用LockSupport.unpark唤醒其他节点的线程；

(二) 释放资源：

releaseShared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。

释放掉资源后，唤醒后继。

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，这主要是基于可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，一是共享的实质--多线程可并发执行；二是共享模式基本也不会重入吧（至少我还没见过），所以自定义同步器可以根据需要决定返回值。

doReleaseShared唤醒后续的节点线程；

六、其他细节：

hasQueuedThreads

查询队列里是否有线程在等待，由于中断和超时引起的取消操作随时都可能发生，这方法不一定实时准确。

hasContended

查询队列是否被多个acquire请求竞争过（导致某个线程阻塞过）。为什么head 不为null就能证明？有竞争就会入队列此时head不为null，但是任务执行完了呢？通过上面的代码知道，head是由队列里刚获得到锁的线程设置的（把自己设置成head），即使任务执行完也不会修改head，只能由下个入队的线程设置，这样head就永远不会为空了。