图解AQS系列（上）--独占锁
开场白
AQS在juc包中简直是基石般的存在，笔者会经过juc包中的ReentrantLock来说解AQS的独占锁实现，经过Semaphore来说解下AQS共享锁的实现。java
本文力求用直白的结构图和详细的描述，让你们花最少的时间,便可以比较详细的了解AQS的流程。node
1、AQS等待队列
全部未获取到锁的线程，都会进入AQS的等待队列，其实就是一个双向链表，以下图： 设计模式
head节点是队列初始化的时候一个节点，只表示位置，不表明实际的等待线程。head节点以后的节点就是获取锁失败进入等待队列的线程。接下来，咱们打开AQS源码，看下Node节点都有哪些关键内容：bash
static final class Node {
/** 共享模式 */
static final Node SHARED = new Node();
/** 独占模式 */
static final Node EXCLUSIVE = null;
/** 节点状态值，表示节点已经取消 */
static final int CANCELLED = 1;
/** 节点状态值，在当前节点释放或者取消的时候，会唤醒下一个节点 */
static final int SIGNAL = -1;
/** 此处可忽略，waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
static final int CONDITION = -2;
/**
* 这个值是在共享锁的时候会用到，唤醒了一个节点，会尝试唤醒下一个节点，
* 若是当前节点未阻塞（阻塞前就得到了锁）,那么当前节点的状态会被设置成-3
*/
static final int PROPAGATE = -3;
//等待状态
volatile int waitStatus;
//前驱节点
volatile Node prev;
//后继节点
volatile Node next;
//等待的线程
volatile Thread thread;
//此处可忽略，主要是模式的判断
Node nextWaiter;
}复制代码
咱们再看下AQS的另外两个核心属性post
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
//同步状态值（锁的数量）
private volatile int state;
//ps:继承自父类AbstractOwnableSynchronizer的属性，此处为了显示方便就拿过来了
//记录得到了锁的线程
private transient Thread exclusiveOwnerThread
//上文中的Node节点
static final class Node {
//......
}
}复制代码
接下来，咱们经过ReentrantLock的加锁和解锁流程，来看看线程是如何加入等待队列的，以及队列中每一个节点的状态值是如何变化的。ui
2、独占锁--加锁（ReentrantLock.lock() ）
咱们先初略看下ReentrantLock的核心结构this
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
//继承自AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//.....
}
static final class NonfairSync extends Sync {
// ..... 非公平锁
}
static final class FairSync extends Sync {
// ..... 公平锁
}
}复制代码
能够看出，ReentrantLock主要是由内部类继承自AQS,并实现了非公平锁和公平锁。咱们看下加锁的流程（本处以非公平锁为例子，下文会单独提下公平锁的区别）：spa
接下来，咱们按照流程图的顺序，看下源码的实现细节（以非公平锁为例）线程
final void lock() {
//尝试快速获取锁
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); //成功后记录获取锁的线程
else
acquire(1); //走获取锁的常规流程
}复制代码
acquire()是AQS的模板方法，其中tryAcquire()由子类本身实现，而addWaiter()和acquireQueued()都是固定的。设计
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}复制代码
这里主要由3个步骤。一、调用ReentrantLock的tryAcquire()方法尝试获取锁。 二、若是失败，则调用addWaiter()方法，把当前线程加入AQS的等待队列。 三、以后调用acquireQueued()方法来自旋获取锁或者把当前节点的线程挂起。咱们逐步看下这3步的实现。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//非公平锁的实现
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState(); //状态值
if (c == 0) { //锁空闲
if (compareAndSetState(0, acquires)) { //尝试CAS快速抢占状态值
setExclusiveOwnerThread(current); //记录当前线程获取了锁
return true;
}
}
//当前线程重入（同一线程须要重复执行加锁的方法，好比递归调用）
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires; //状态值增长
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); //设置状态值
return true;
}
return false;
}
复制代码
若是第1步获取锁失败了，那么就须要加入等待队列。
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); //新建一个节点（当前线程）
// 首先会尝试用CAS把当前新节点快速加入到尾节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node); //若是CAS失败了，则自旋+CAS添加到尾节点
return node;
}复制代码
看下自旋加入队列操做
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // 若是尾节点为null，则必需要先初始化head,tail节点
if (compareAndSetHead(new Node())) //新建一个节点（占位的做用）
tail = head; //head和tail都指向第一个位置节点
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) { //经过CAS把当前线程节点加入到等待队列尾部
t.next = node;
return t;
}
}
}
}复制代码
最后，须要调用acquireQueued()方法来作最后的操做
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true; //是否取消节点
try {
boolean interrupted = false; //是否中断线程
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); //获取当前线程节点的前驱节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) { //若是前驱节点是head节点，而且当前节点线程获取锁成功
setHead(node); //把当前节点设置为head节点（当前节点变成了位置标示的做用）
p.next = null; // help GC ，这里去除原先的head节点的强引用，方便GC回收资源
failed = false;
return interrupted;
}
//在自旋过程当中，须要判断当前线程是否须要阻塞（正常状况下最多循环3次，而不是无限循环。固然前驱节点一直被取消除外）
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node); //取消节点，相见下文
}
}复制代码
先来看下AQS如何判断当前线程是否须要阻塞
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; //当前节点 的 前驱节点 的等待状态值
if (ws == Node.SIGNAL)
//若是ws==-1,则当前节点等待前驱节点唤醒，本身能够放心的阻塞
return true;
if (ws > 0) {
//ws>0，那么前驱节点已经被取消了，那么从前驱节点往前找到waitStatus<=0的节点
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node; //设置为当前节点的前驱节点
} else {
/* 到这里，前驱节点的ws只有0或者-3（PROPAGATE）两种状况，代表当前节点须要 * 等待信号唤醒，可是这里不是立刻挂起，而是再循环一次，若是下一次还不能获取锁， * 那么就会挂起当前线程 */
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}复制代码
若是须要阻塞，那么会执行下面方法
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); //调用LockSupport阻塞线程（再往下是UNSAFE，再也不深刻了）
return Thread.interrupted(); //获取当前线程是否须要中断，同时清理中断标志
}复制代码
下面看下取消节点都作了什么
private void cancelAcquire(Node node) {
// 节点为null,啥都不作
if (node == null)
return;
node.thread = null; //释放资源
// 前驱节点，若是已经取消的，则跳过
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// 前驱节点的后继节点
Node predNext = pred.next;
// 当前节点ws设置为CANCELLED
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 若是当前节点是尾节点，先把前驱节点设置为tail节点，而后在移除当前节点
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {
// 若是后继节点须要信号唤醒，那么就把后继节点链到前驱节点的后面；不然直接唤醒后继节点
int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
//唤醒当前节点的下一个阻塞节点（释放锁的流程详细讲一下）
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}复制代码
到这里，加锁的过程已经结束了。咱们先来阶段性总结下等待队列中的节点等待状态ws的数值变化状况:
- 新建节点，ws==0
- 取消节点，ws==1 (CANCELLED)
- 进入等待队列后，有概率把ws设置为-1 （SIGNAL）
还有一种状态-3（PROPAGATE），咱们会在下篇讲解共享锁的时候提到。
上文咱们是以非公平锁为例子讲解的，其实ReentrantLock的公平锁和非公平锁就一步的区别
static final class FairSync extends Sync {
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
//差异就是这个hasQueuedPredecessors()方法，若是前面有人排队了，
//他就不插队了，乖乖进入等待队列
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}复制代码
下面咱们看下释放锁的流程。
3、独占锁--释放锁（ReentrantLock.unlock() ）
释放锁的过程，无论公平锁和非公平锁，都是同样的。咱们先来看下流程图
释放锁的流程比较简单，咱们快速过一下源码
//ReentrantLock.unlock()
public void unlock() {
sync.release(1);
}
//AQS的方法
public final boolean release(int arg) {
//先尝试释放锁，成功则唤醒head节点的后继节点
if (tryRelease(arg)) { Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}复制代码
看下释放锁的过程
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases; //减去状态值
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) { //若是状态值为0，那么重置持有锁的线程属性（重入锁释放后c仍可能大于0）
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}复制代码
接着讲下上文一笔带过的唤醒后继节点线程的操做
private void unparkSuccessor(Node node) {
//提醒下，这个方法是唤醒节点的后继节点
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0) //当前节点若是小于0，设置为0
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* 尝试唤醒后继节点的阻塞线程，通常就是下一个节点
*/
Node s = node.next; //获取后继节点
if (s == null || s.waitStatus > 0) { //若是下一个节点为null或者已经被取消
s = null;
//那么须要从尾部节点开始往前找，找到最靠近当前节点的且ws<=0的节点，而后唤醒节点线程
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread); //唤醒线程仍是调用LockSupport来实现，底层是UNSAFE类
}复制代码
4、小结
AQS的独占锁流程到这里就讲完了。其实只要你们先了解AQS的等待队列结构（还有另外两个核心属性state和持有锁的线程变量exclusiveOwnerThread），而后再把节点等待状态值（ws）的数值变化场景搞清楚，那么AQS就会变得简单直白。
本文有提到一个模版模式，对设计模式不了解的同窗，能够看下设计模式 。后续会出图解AQS系列（下），来说解下AQS的共享锁实现。
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