AQS浅析

AQS的原理浅析

本文是《Java特种兵》的样章，本书即将由工业出版社出版

AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类也是在java.util.concurrent.locks下面。这个相似乎很不容易看懂，由于它仅仅是提供了一系列公共的方法，让子类来调用。那么要理解意思，就得从子类下手，反过来看才容易看懂。以下图所示：

图 5-15 AQS的子类实现

 

这么多类，咱们看那一个？刚刚提到过锁（Lock），咱们就从锁开始吧。这里就先以ReentrantLock排它锁为例开始展开讲解如何利用AQS的，而后再简单介绍读写锁的要点（读写锁自己的实现十分复杂，要彻底说清楚须要大量的篇幅来讲明）。
首先来看看ReentrantLock的构造方法，它的构造方法有两个，以下图所示：

图 5-16 排它锁的构造方法
很显然，对象中有一个属性叫sync，有两种不一样的实现类，默认是“NonfairSync”来实现，而另外一个“FairSync”它们都是排它锁的内部类，不论用那一个都能实现排它锁，只是内部可能有点原理上的区别。先以“NonfairSync”类为例，它的lock()方法是如何实现的呢？

图 5-17 排它锁的lock方法
lock()方法先经过CAS尝试将状态从0修改成1。若直接修改为功，前提条件天然是锁的状态为0，则直接将线程的OWNER修改成当前线程，这是一种理想状况，若是并发粒度设置适当也是一种乐观状况。
若上一个动做未成功，则会间接调用了acquire(1)来继续操做，这个acquire(int)方法就是在AbstractQueuedSynchronizer当中了。这个方法表面上看起来简单，但真实状况比较难以看懂，由于第一次看这段代码可能不知道它要作什么！不急，一步一步来分解。
首先看tryAcquire(arg)这里的调用（固然传入的参数是1），在默认的“NonfairSync”实现类中，会这样来实现：

妈呀，这代码好费劲，胖哥第一回看也是以为这样，细心看看也不是想象当中那么难：

○ 首先获取这个锁的状态，若是状态为0，则尝试设置状态为传入的参数（这里就是1），若设置成功就表明本身获取到了锁，返回true了。状态为0设置1的动做在外部就有作过一次，内部再一次作只是提高几率，并且这样的操做相对锁来说不占开销。
○ 若是状态不是0，则断定当前线程是否为排它锁的Owner，若是是Owner则尝试将状态增长acquires（也就是增长1），若是这个状态值越界，则会抛出异常提示，若没有越界，将状态设置进去后返回true（实现了相似于偏向的功能，可重入，可是无需进一步征用）。
○ 若是状态不是0，且自身不是owner，则返回false。

回到图 5-17中对tryAcquire()的调用断定中是经过if(!tryAcquire())做为第1个条件的，若是返回true，则断定就不会成立了，天然后面的acquireQueued动做就不会再执行了，若是发生这样的状况是最理想的。
不管多么乐观，征用是必然存在的，若是征用存在则owner天然不会是本身，tryAcquire()方法会返回false，接着就会再调用方法：acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)作相关的操做。
这个方法的调用的代码更很差懂，须要从里往外看，这里的Node.EXCLUSIVE是节点的类型，看名称应该清楚是排它类型的意思。接着调用addWaiter()来增长一个排它锁类型的节点，这个addWaiter()的代码是这样写的：

图 5-19 addWaiter的代码
这里建立了一个Node的对象，将当前线程和传入的Node.EXCLUSIVE传入，也就是说Node节点理论上包含了这两项信息。代码中的tail是AQS的一个属性，刚开始的时候确定是为null，也就是不会进入第一层if断定的区域，而直接会进入enq(node)的代码，那么直接来看看enq(node)的代码。

看到了tail就应该猜到了AQS是链表吧，没错，并且它还应该有一个head引用来指向链表的头节点，AQS在初始化的时候head、tail都是null，在运行时来回移动。此时，咱们最少至少知道AQS是一个基于状态（state）的链表管理方式。

图 5-20 enq(Node)的源码
这段代码就是链表的操做，某些同窗可能很牛，一下就看懂了，某些同窗一扫而过以为知道大概就能够了，某些同窗可能会莫不着头脑。胖哥为了给第三类同窗来“开开荤”，简单讲解下这个代码。
首先这个是一个死循环，并且自己没有锁，所以能够有多个线程进来，假如某个线程进入方法，此时head、tail都是null，天然会进入if(t == null)所在的代码区域，这部分代码会建立一个Node出来名字叫h，这个Node没有像开始那样给予类型和线程，很明显是一个空的Node对象，而传入的Node对象首先被它的next引用所指向，此时传入的node和某一个线程建立的h对象以下图所示。

图 5-21 临时的h对象建立后的与传入的Node指向关系
刚才咱们很理想的认为只有一个线程会出现这种状况，若是有多个线程并发进入这个if断定区域，可能就会同时存在多个这样的数据结构，在各自造成数据结构后，多个线程都会去作compareAndSetHead(h)的动做，也就是尝试将这个临时h节点设置为head，显然并发时只有一个线程会成功，所以成功的那个线程会执行tail = node的操做，整个AQS的链表就成为：

图 5-22 AQS被第一个请求成功的线程初始化后
有一个线程会成功修改head和tail的值，其它的线程会继续循环，再次循环就不会进入if (t == null)的逻辑了，而会进入else语句的逻辑中。
在else语句所在的逻辑中，第一步是node.prev = t，这个t就是tail的临时值，也就是首先让尝试写入的node节点的prev指针指向原来的结束节点，而后尝试经过CAS替换掉AQS中的tail的内容为当前线程的Node，不管有多少个线程并发到这里，依然只会有一个能成功，成功者执行t.next = node，也就是让原先的tail节点的next引用指向如今的node，如今的node已经成为了最新的结束节点，不成功者则会继续循环。
简单使用图解的方式来讲明，3个步骤以下所示，以下图所示：

图 5-23 插入一个节点步骤先后动做
插入多个节点的时候，就以此类推了哦，总之节点都是在链表尾部写入的，并且是线程安全的。
知道了AQS大体的写入是一种双向链表的插入操做，但插入链表节点对锁有何用途呢，咱们还得退回到前面图 5-19的代码中addWaiter方法最终返回了要写入的node节点， 再回退到图5-17中所在的代码中须要将这个返回的node节点做为acquireQueued方法入口参数，并传入另外一个参数（依然是1），看看它里面到底作了些什么？请看下图：

图 5-24 acquireQueued的方法内容
这里也是一个死循环，除非进入if(p == head && tryAcquire(arg))这个断定条件，而p为node.predcessor()获得，这个方法返回node节点的前一个节点，也就是说只有当前一个节点是head的时候，进一步尝试经过tryAcquire(arg)来征用才有机会成功。tryAcquire(arg)这个方法咱们前面介绍过，成立的条件为：锁的状态为0，且经过CAS尝试设置状态成功或线程的持有者自己是当前线程才会返回true，咱们如今来详细拆分这部分代码。
○ 若是这个条件成功后，发生的几个动做包含：
（1） 首先调用setHead(Node)的操做，这个操做内部会将传入的node节点做为AQS的head所指向的节点。线程属性设置为空（由于如今已经获取到锁，再也不须要记录下这个节点所对应的线程了），再将这个节点的perv引用赋值为null。
（2） 进一步将的前一个节点的next引用赋值为null。
在进行了这样的修改后，队列的结构就变成了如下这种状况了，经过这样的方式，就可让执行完的节点释放掉内存区域，而不是无限制增加队列，也就真正造成FIFO了：

图 5-25 CAS成功获取锁后，队列的变化
○ 若是这个断定条件失败
会首先断定：“shouldParkAfterFailedAcquire(p , node)”，这个方法内部会断定前一个节点的状态是否为：“Node.SIGNAL”，如果则返回true，若不是都会返回false，不过会再作一些操做：断定节点的状态是否大于0，若大于0则认为被“CANCELLED”掉了（咱们没有说明几个状态的值，不过大于0的只可能被CANCELLED的状态），所以会从前一个节点开始逐步循环找到一个没有被“CANCELLED”节点，而后与这个节点的next、prev的引用相互指向；若是前一个节点的状态不是大于0的，则经过CAS尝试将状态修改成“Node.SIGNAL”，天然的若是下一轮循环的时候会返回值应该会返回true。
若是这个方法返回了true，则会执行：“parkAndCheckInterrupt()”方法，它是经过LockSupport.park(this)将当前线程挂起到WATING状态，它须要等待一个中断、unpark方法来唤醒它，经过这样一种FIFO的机制的等待，来实现了Lock的操做。
相应的，能够本身看看FairSync实现类的lock方法，其实区别不大，有些细节上的区别可能会决定某些特定场景的需求，你也能够本身按照这样的思路去实现一个自定义的锁。
接下来简单看看unlock()解除锁的方式，若是获取到了锁不释放，那天然就成了死锁，因此必需要释放，来看看它内部是如何释放的。一样从排它锁（ReentrantLock）中的unlock()方法开始，请先看下面的代码截图：

图 5-26 unlock方法间接调用AQS的release(1)来完成
经过tryRelease(int)方法进行了某种断定，若它成立则会将head传入到unparkSuccessor(Node)方法中并返回true，不然返回false。首先来看看tryRelease(int)方法，以下图所示：

图 5-27 tryRelease(1)方法
这个动做能够认为就是一个设置锁状态的操做，并且是将状态减掉传入的参数值（参数是1），若是结果状态为0，就将排它锁的Owner设置为null，以使得其它的线程有机会进行执行。
在排它锁中，加锁的时候状态会增长1（固然能够本身修改这个值），在解锁的时候减掉1，同一个锁，在能够重入后，可能会被叠加为二、三、4这些值，只有unlock()的次数与lock()的次数对应才会将Owner线程设置为空，并且也只有这种状况下才会返回true。
这一点你们写代码要注意了哦，若是是在循环体中lock()或故意使用两次以上的lock(),而最终只有一次unlock()，最终可能没法释放锁。在本书的src/chapter05/locks/目录下有相应的代码，你们能够自行测试的哦。
在方法unparkSuccessor(Node)中，就意味着真正要释放锁了，它传入的是head节点（head节点是已经执行完的节点，在后面阐述这个方法的body的时候都叫head节点），内部首先会发生的动做是获取head节点的next节点，若是获取到的节点不为空，则直接经过：“LockSupport.unpark()”方法来释放对应的被挂起的线程，这样一来将会有一个节点唤醒后继续进入图 5-24中的循环进一步尝试tryAcquire()方法来获取锁，可是也未必能彻底获取到哦，由于此时也可能有一些外部的请求正好与之征用，并且还奇迹般的成功了，那这个线程的运气就有点悲剧了，不过一般乐观认为不会每一次都那么悲剧。
再看看共享锁，从前面的排它锁能够看得出来是用一个状态来标志锁的，而共享锁也不例外，可是Java不但愿去定义两个状态，因此它与排它锁的第一个区别就是在锁的状态上，它用int来标志锁的状态，int有4个字节，它用高16位标志读锁（共享锁），低16位标志写锁（排它锁），高16位每次增长1至关于增长65536（经过1 << 16获得），天然的在这种读写锁中，读锁和写锁的个数都不能超过65535个（条件是每次增长1的，若是递增是跳跃的将会更少）。在计算读锁数量的时候将状态左移16位，而计算排它锁会与65535“按位求与”操做，以下图所示。

图 5-28 读写锁中的数量计算及限制 写锁的功能与“ReentrantLock”基本一致，区域在于它会在tryAcquire操做的时候，断定状态的时候会更加复杂一些（所以有些时候它的性能未必好）。 读锁也会写入队列，Node的类型被改成：“Node.SHARED”这种类型，lock()时候调用的是AQS的acquireShared(int)方法，进一步调用tryAcquireShared()操做里面只须要检测是否有排它锁，若是没有则能够尝试经过CAS修改锁的状态，若是没有修改为功，则会自旋这个动做（可能会有不少线程在这自旋开销CPU）。若是这个自旋的过程当中检测到排它锁竞争成功，那么tryAcquireShared()会返回-1，从而会走如排它锁的Node相似的流程，可能也会被park住，等待排它锁相应的线程最终调用unpark()动做来唤醒。 这就是Java提供的这种读写锁，不过这并非共享锁的诠释，在共享锁里面也有多种机制 ，或许这种读写锁只是其中一种而已。在这种锁下面，读和写的操做自己是互斥的，可是读能够多个一块儿发生。这样的锁理论上是很是适合应用在“读多写少”的环境下（固然咱们所讲的读多写少是读的比例远远大于写，而不是多一点点），理论上讲这样锁征用的粒度会大大下降，同时系统的瓶颈会减小，效率获得整体提高。 在本节中咱们除了学习到AQS的内在，还应看到Java经过一个AQS队列解决了许多问题，这个是Java层面的队列模型，其实咱们也能够利用许多队列模型来解决本身的问题，甚至于能够改写模型模型来知足本身的需求，在本章的5.6.1节中将会详细介绍。 关于Lock及AQS的一些补充： 一、 Lock的操做不只仅局限于lock()/unlock()，由于这样线程可能进入WAITING状态，这个时候若是没有unpark()就无法唤醒它，可能会一直“睡”下去，能够尝试用tryLock()、tryLock(long , TimeUnit)来作一些尝试加锁或超时来知足某些特定场景的须要。例若有些时候发现尝试加锁没法加上，先释放已经成功对其它对象添加的锁，过一小会再来尝试，这样在某些场合下能够避免“死锁”哦。 二、 lockInterruptibly() 它容许抛出InterruptException异常，也就是当外部发起了中断操做，程序内部有可能会抛出这种异常，可是并非绝对会抛出异常的，你们仔细看看代码便清楚了。 三、 newCondition()操做，是返回一个Condition的对象，Condition只是一个接口，它要求实现await()、awaitUninterruptibly()、awaitNanos(long)、await(long , TimeUnit)、awaitUntil(Date)、signal()、signalAll()方法，AbstractQueuedSynchronizer中有一个内部类叫作ConditionObject实现了这个接口，它也是一个相似于队列的实现，具体能够参考源码。大多数状况下能够直接使用，固然以为本身比较牛逼的话也能够参考源码本身来实现。 四、 在AQS的Node中有每一个Node本身的状态（waitStatus），咱们这里概括一下，分别包含: SIGNAL 从前面的代码状态转换能够看得出是前面有线程在运行，须要前面线程结束后，调用unpark()方法才能激活本身，值为：-1 CANCELLED 当AQS发起取消或fullyRelease()时，会是这个状态。值为1，也是几个状态中惟一一个大于0的状态，因此前面断定状态大于0就基本等价因而CANCELLED的意思。 CONDITION 线程基于Condition对象发生了等待，进入了相应的队列，天然也须要Condition对象来激活，值为-2。 PROPAGATE 读写锁中，当读锁最开始没有获取到操做权限，获得后会发起一个doReleaseShared()动做，内部也是一个循环，当断定后续的节点状态为0时，尝试经过CAS自旋方式将状态修改成这个状态，表示节点能够运行。 状态0 初始化状态，也表明正在尝试去获取临界资源的线程所对应的Node的状态。