AbstractQueuedSynchronizer源码解析（上）

2022-12-15 07:56:50

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一、摘要

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer，是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个 int 成员变量表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成资源获取线程的排队工作。同步器的设计是基于模板方法模式的，也就是说，使用者需要继承同步器并重写指定的方法，随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，并调用同步器提供的模板方法，而这些模板方法将会调用使用者重写的方法。

简称 AQS，是各种各样锁的基础，比如说 ReentrantLock、CountDownLatch 等等，这些我们经常用的锁底层实现都依赖于 AQS，由此可见这个类的重要性，所以学好 AQS 对于后面理解锁的实现是非常重要的。

二、AQS

2.1 类定义

AQS 类定义代码如下：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

可以看出两点：

  1. AQS 是个抽象类，就是给各种锁子类继承用的，AQS 定义了很多如何获得锁，如何释放锁的抽象方法，目的就是为了让子类去实现；
  2. 继承了 AbstractOwnableSynchronizer，AbstractOwnableSynchronizer 的作用就是为了知道当前是那个线程获得了锁，方便监控用的，代码如下：
    AbstractQueuedSynchronizer源码解析（上）

2.2 基本属性

AQS 的属性可简单分为四类：同步器简单属性、同步队列属性、条件队列属性、公用 Node。

2.2.1 简单属性

让我们来看一下简单属性都有哪些：

最重要的就是 state 属性，是 int 类型的，所有继承 AQS 的锁都是通过这个字段来判断能不能获得锁，能不能释放锁。

// 同步器的状态，子类会根据状态字段进行判断是否可以获得锁
// 比如 CAS 成功给 state 赋值 1 算得到锁，赋值失败为得不到锁， CAS 成功给 state 赋值 0 算释放锁，赋值失败为释放失败
// 可重入锁，每次获得锁 +1，每次释放锁 -1
private volatile long state;

// 自旋超时阀值，单位纳秒
// 当设置等待时间时才会用到这个属性
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;

2.1.2 共享锁和排它锁的区别

排它锁：同一时刻，只能有一个线程可以获得锁，也只能有一个线程可以释放锁。

共享锁：可以允许多个线程获得同一个锁，并且可以设置获取锁的线程数量。

2.1.3 同步队列属性

同步队列：当多个线程都来请求锁时，某一时刻有且只有一个线程能够获得锁（排它锁），那么剩余获取不到锁的线程，都会到同步队列中去排队并阻塞自己，当有线程主动释放锁时，就会从同步队列头开始释放一个排队的线程，让线程重新去竞争锁。

所以同步队列的主要作用阻塞获取不到锁的线程，并在适当时机释放这些线程。

同步队列底层数据结构是个双向链表：

// 同步队列的头。
private transient volatile Node head;

// 同步队列的尾
private transient volatile Node tail;

源码中的 Node 是同步队列中的元素，但 Node 被同步队列和条件队列公用，我们在后面再说 Node。

2.1.4 条件队列的属性

条件队列和同步队列的功能一样，管理获取不到锁的线程，底层数据结构也是链表队列，但条件队列不直接和锁打交道，但常常和锁配合使用，是一定的场景下，对锁功能的一种补充。

条件队列的属性如下：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
        /** First node of condition queue. */
        // 条件队列中第一个 node
        private transient Node firstWaiter;
        /** Last node of condition queue. */
        // 条件队列中最后一个 node
        private transient Node lastWaiter;
        //...//
}

ConditionObject 称为条件队列，我们需要使用时，直接 new ConditionObject () 即可。

2.1.5 Node

Node 非常重要，即是同步队列的节点，又是条件队列的节点，在入队的时候，我们用 Node 把线程包装一下，然后把 Node 放入两个队列中：

static final class Node {
    /**
     * 同步队列单独的属性
     */
    //node 指示节点在共享模式下等待的标记
    static final Node SHARED = new Node();

    //node 指示节点正在以独占模式等待的标记
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    // 当前节点的前节点
    // 节点获得成功后就会变成head
    // head 节点不能被取消
    volatile Node prev;

    // 当前节点的下一个节点
    volatile Node next;

    /**
     * 两个队列共享的属性
     */
    // 表示当前节点的状态，通过节点的状态来控制节点的行为
    // 普通同步节点，就是 0 ，条件节点是 CONDITION -2
    volatile int waitStatus;

	/**
     * waitStatus 的状态有以下几种
     */
    // 被取消
    static final int CANCELLED =  1;

    // SIGNAL 状态的意义：同步队列中的节点在自旋获取锁的时候
    // 如果前一个节点的状态是 SIGNAL，那么自己就可以阻塞休息了，否则自己一直自旋尝试获得锁
    static final int SIGNAL    = -1;

    // 表示当前 node 正在条件队列中
    // 当有节点从同步队列转移到条件队列时，状态就会被更改成 CONDITION
    static final int CONDITION = -2;

    // 无条件传播,共享模式下，该状态的进程处于可运行状态
    static final int PROPAGATE = -3;

    // 当前节点的线程
    volatile Thread thread;

    // 在同步队列中，nextWaiter 并不真的是指向其下一个节点
    // 我们用 next 表示同步队列的下一个节点，nextWaiter 只是表示当前 Node 是排它模式还是共享模式
    // 但在条件队列中，nextWaiter 就是表示下一个节点元素
    Node nextWaiter;
    
    //...//
}

2.3 Condition

刚才我们看条件队列 ConditionObject 时，发现其是实现 Condition 接口的，现在我们一起来看下 Condition 接口，其类注释上是这么写的：

  1. 当 lock 代替 synchronized 来加锁时，Condition 就可以用来代替 Object 中相应的监控方法了，比如 Object wait ()、Object notify、Object notifyAll 这些方法；
  2. 提供了一种线程协作方式：一个线程被暂停执行，直到被其它线程唤醒；
  3. Condition 实例是绑定在锁上的，通过 Lock中的newCondition 方法可以产生该实例；
  4. 除了特殊说明外，任意空值作为方法的入参，都会抛出空指针；
  5. Condition 提供了明确的语义和行为，这点和 Object 监控方法不同。

类注释上甚至还给我们举了一个例子：

例如，假设我们有一个支持 put 和 take 方法的有界缓冲区。如果在空缓冲区上尝试获取，则线程将阻塞，直到项目可用；如果在一个完整的缓冲区上尝试放置，则线程将阻塞，直到有可用空间为止。我们希望继续等待 put 线程并将线程放在单独的等待集中，以便我们可以使用优化，当缓冲区中的项目或空间变得可用时，一次只通知单个线程。这可以使用两个 Condition 实例来实现。

假设我们有一个有界边界的队列，支持 put 和 take 方法，需要满足：

  1. 如果试图往空队列上执行 take，线程将会阻塞，直到队列中有可用的元素为止；
  2. 如果试图往满的队列上执行 put，线程将会阻塞，直到队列中有空闲的位置为止。

1、2 中线程阻塞都会到条件队列中去阻塞。

take 和 put 两种操作如果依靠一个条件队列，那么每次只能执行一种操作，所以我们可以新建两个条件队列，这样就可以分别执行操作了。

除了类注释，Condition 还定义出一些方法，这些方法奠定了条件队列的基础，方法主要有：

void await() throws InterruptedException;

这个方法的主要作用是：使当前线程一直等待，直到被 signalled 或被打断。

当以下四种情况发生时，条件队列中的线程将被唤醒

  1. 有线程使用了 signal 方法，正好唤醒了条件队列中的当前线程；
  2. 有线程使用了 signalAll 方法；
  3. 其它线程打断了当前线程，并且当前线程支持被打断；
  4. 被虚假唤醒 (即使没有满足以上 3 个条件，wait 也是可能被偶尔唤醒。

被唤醒时，有一点需要注意的是：线程从条件队列中苏醒时，必须重新获得锁，才能真正被唤醒，这个我们在说源码的时候，也会强调这个。

await 方法还有带等待超时时间的，如下：

// 返回的 long 值表示剩余的给定等待时间，如果返回的时间小于等于 0 ，说明等待时间过了
// 选择纳秒是为了避免计算剩余等待时间时的截断误差
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

// 虽然入参可以是任意单位的时间，但底层仍然转化成纳秒
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

除了等待方法，还是唤醒线程的两个方法，如下：

// 唤醒条件队列中的一个线程，在被唤醒前必须先获得锁
void signal();

// 唤醒条件队列中的所有线程
void signalAll();

至此，AQS 基本的属性就已经介绍完了，接着让我们来看一看 AQS 的重要方法。

三、同步器的状态

在同步器中，我们有两个状态，一个叫做 state，一个叫做 waitStatus，两者是完全不同的概念：

  1. state 是锁的状态，是 int 类型，子类继承 AQS 时，都是要根据 state 字段来判断有无得到锁，比如当前同步器状态是 0，表示可以获得锁，当前同步器状态是 1，表示锁已经被其他线程持有，当前线程无法获得锁；
  2. waitStatus 是节点（Node）的状态，种类很多，一共有初始化 (0)、CANCELLED (1)、SIGNAL (-1)、CONDITION (-2)、PROPAGATE (-3)，各个状态的含义可以见上文。

这两个状态我们需要牢记，不要混淆了。

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