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。

      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。

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：   

      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：

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

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。

2、独占锁--加锁（ReentrantLock.lock() ）

      咱们先初略看下ReentrantLock的核心结构

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）：

      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）

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。

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。