AQS:JAVA经典之锁实现算法（一）

时间  2019-12-04
标签 aqs java 经典 实现 算法 栏目 Java 繁體版
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序言

AQS能够说是JAVA源码中必读源码之一。同时它也是JAVA大厂面试的高频知识点之一。认识并了解它，JAVA初中升高级工程师必备知识点之一。 AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称，它也是JUC包下众多非原生锁实现的核心。node

一：AQS基础概况

AQS是基于CLH队列算法改进实现的锁机制。大致逻辑是AQS内部有一个链型队列，队列结点类是AQS的一个内部类Node，造成一个相似以下Sync Queue(记住这个名词)面试

Sync Queue

能够看出，一个Node除了先后结点的索引外，还维护了一个Thread对象，一个int的waitStatus。 Thread对象就是处于竞争队列中的线程对象自己。 waitStatus表示当前竞争结点的状态，这里暂且忽略掉。算法

处于队首的，即Head所指向的结点，即为获取到锁的结点。释放锁即为出队，后续结点则成为队首，即获取到锁bash

Tips:这里帮你们理解一个事情，每个ReentrantLock实例都有且只有一个AQS实例，一个AQS实例维护一个Sync Queue。因此说，当咱们的业务代码中的多个线程对同一个ReentrantLock实例进行锁竞争操做时，其实际就是对同一个Sync Queue的队列进行入队、出队操做。函数

二：AQS调用入口----ReentrantLock

咱们在用ReentrantLock时，代码一般以下：ui

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Runnable runnable = new Runnable() {
  public void run() {
    lock.lock();
    Sys.out(Thread.currentThread().name() + "抢到锁");
    lock.unlock();
  }
};
Thread t1 = new Thread(runnable);
Thread t2 = new Thread(runnable);
t2.start();
t1.start();
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可见线程t1,t2竞争lock这个锁。 lock.lock()抢锁 lock.unlock()释放锁 来看入口函数lockthis

public void lock() {
  sync.lock();
}
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sync是ReentrantLock内的一个继承了AQS的抽象类spa

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
复制代码

抽象类的具体实现是另两个内部类NonFairSync FairSync，分别表明非公平锁、公平锁。线程

咱们系统来看下继承图 code

Sync父子图

ReentrantLock中的sync实例，默认是在构造函数中初始化的，

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}
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那咱们就看默认的NonFairSync的实现逻辑。

NonFairSync

当咱们调用ReentrantLock.lock()时，直接调用到的是NonFairSync.lock()

/**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
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compareAndSetState(0, 1)经过CAS（CAS是啥，这里不讲，参考乐观锁。具体Google吧）方式，设置AQS的int state字段为1。AQS内部就是经过这个state是否为0来判断当前锁是否已经被线程获取到。 返回true，则说明获取锁成功，设置当前锁的独占线程setExclusiveOwnerThreaThread.currentThread()); 不然，acquire(1)尝试获d(取锁。这个方法会自旋、阻塞，一直到获取锁成功为止。这里，传进去的参数1，就参考乐观锁的版本字段，同时，这里，它还记录了可重入锁重复获取到锁的次数。只有释放一样次数才能最终释放锁。

具体看AQS的acquire()的逻辑

AbstractQueuedSynchronizer.acquire()

public final void acquire(int arg) {
      if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
}
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要注意，这个方法是忽略线程中断的。 先看tryAcquire(arg)，这个方法是AQS留给子实现类的口子，具体实现看NonFairSync,它的实现里直接调用了Sync.nonfairTryAcquire()，

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
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能够看到方法内，先是尝试获取state = 0时的初始锁，若是失败，判断当前锁是不是被当前线程获取，是的话，将acquire时传入的参数累加到state字段上。在这里，这个字段就是用来记录重复获取锁的次数。 获取失败则返回false

回到acquire 在获取失败，返回false后，才会继续调用 &&右边的acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)方法。 先看addWaiter

private Node addWaiter(Node mode) {
1：        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
2：        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
3：        Node pred = tail;
4：        if (pred != null) {
5：           node.prev = pred;
6：           if (compareAndSetTail(pred, node)) {
7：                pred.next = node;
8：                return node;
9：            }
10：        }
11：       enq(node);
12：        return node;
13：    }
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利用传进来的Node.EXCLUSIVE表示的排斥锁参数以及当前线程实例初始化新Node，第4-10行代码是在Sync Queue队列内有竞争线程时进入。为空时会走到enq(node)，这里是在竞争为空时将竞争线程入队的操做。 而后返回当前竞争的线程node 此时Sync Queue如图

Sync Queue.png
咱们假设node_1是已经获取到锁的结点，node_2即为咱们当前操做的结点。

返回acquire接着看 addWaiter返回的node直接做为参数给了acquireQueued，这个方法就是主要的node竞争锁方法。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        // 获取锁成功失败标记
        boolean failed = true;
        try {
            // 当前竞争线程的中断标记
            boolean interrupted = false;
            // 自旋竞争锁，竞争不到锁的话，线程又没有中断
            // 则一直在这儿循环
            for (;;) {
                // 获取当前线程的前驱结点
                final Node p = node.predecessor();
                // 若是前驱结点是头结点，则尝试去tryAcquire
                // 这个逻辑咱们以前看过，当前线程未获取到锁的状况下
                // 在AQS的state字段不为0时，则返回false
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 进入到这里，说明要不就是当前线程在重复获取
                    // 要不就是前边的结点释放锁，state 归0,这里获取到
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    // 标识竞争锁成功
                    failed = false;
                    // 这个方法不响应线程中断，可是会返回线程在竞争锁过程当中
                    // 中断标记返回
                    return interrupted;
                }
                // 若获取锁失败，则到这里。这里的逻辑主要在If判断
                // 的两个方法中，用来将当前线程挂起的，具体逻辑
                // 看下面
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
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park就是停下的意思。因此这个方法从名字上也比较好理解，就是 挂起线程而且检查线程的中断状态。这里要注意，LockSupport.part(this)方法是会在线程中断时自动唤醒的

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
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这个方法传入了当前竞争结点及其前驱结点

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        // 前驱结点的等待状态。这里只须要记住，咱们这里考虑的是
        // 非共享锁、非公平锁的AQS。因此，只须要确保当前竞争
        // 结点的前驱结点状态为SIGNAL就好。剩下的状态，
        // 与咱们此时研究的状况而言没有用
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * 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 {
            /*
             * 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. */ // 若是前驱结点的status为0，则将其改成SIGNAL compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; } 复制代码

从shouldParkAfterFailedAcquire能够看出来，在确保前驱结点status为SIGNAL时，就能够放心的去unsafe.park()了。之因此要为SIGNAL，是由于这个状态含义为：当前结点OVER时要唤醒后继结点。

因此不难推出，咱们的结点如今就park在那了。等他前驱结点释放锁，或者本身interrupt来唤醒，但由于这个方法是无视中断的，因此即便interrupt了，只是设置了一个标记位，但仍然在循环中。

这里假设前驱结点获取锁后释放，则当前结点在parkAndCheckInterrupt()方法中被唤醒，然后再次循环for(;;)，此次会在第一个if中就进入，当前结点获取到锁，而后重置Head指向的结点等，返回当前线程的中断标记。

返回acquire

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

if中的selfInterrupt()方法只是去从新设置当前线程的中断标记位。这是由于获取线程中断状态的方法，在返回状态字段的同时，也会重置字段，因此须要标记后从新设置相应的值。

下面咱们看下AQS释放锁的接口方法

ReentrantLock.unlock

public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
复制代码

追进去

ReentrantLock.release

public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
复制代码

tryRelease是在NonFairLock中的实现的，若是是释放成功，则在Head存在而且状态不为0（其实能够理解为值为SIGNAL时）去唤醒Head的后继结点。

NonFailLock.tryRelease

下面看下NonFairLock的tryRelease方法的实现

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }
复制代码

能够看出，这个tryRelease其实就是去判断下是否是当前线程拥有锁，是的话，判断下当前的释放锁是否彻底释放，由于锁能够重复获取，彻底释放的话，就设置state为0，表明AQS的锁已经被释放了。

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