一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer
转自https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer#toc4
在分析 Java 并发包 java.util.concurrent 源码的时候，少不了需要了解 AbstractQueuedSynchronizer（以下简写AQS）这个抽象类，因为它是 Java 并发包的基础工具类，是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。
Google 一下 AbstractQueuedSynchronizer，我们可以找到很多关于 AQS 的介绍，但是很多都没有介绍清楚，因为大部分文章没有把其中的一些关键的细节说清楚。
本文将从 ReentrantLock 的公平锁源码出发，分析下 AbstractQueuedSynchronizer 这个类是怎么工作的，希望能给大家提供一些简单的帮助。
申明以下几点：
- 本文有点长，但是很简单很简单很简单，主要面向读者对象为并发编程的初学者，或者想要阅读java并发包源码的开发者。
- 建议在电脑上阅读，如果你想好好地理解所有的细节，而且你从来没看过相关的分析，你可能至少需要 20 分钟仔细看所有的描述，本文后面的 1/3 以上很简单，前面的 1/4 更简单，中间的部分要好好看。
- 如果你不知道为什么要看这个，我想告诉你，即使你看懂了所有的细节，你可能也不能把你的业务代码写得更好
- 源码环境 JDK1.7，看到不懂或有疑惑的部分，最好能自己打开源码看看。Doug Lea 大神的代码写得真心不错。
- 有很多英文注释我没有删除，这样读者可以参考着英文说的来，万一被我忽悠了呢
- 本文不分析共享模式，这样可以给读者减少很多负担，只要把独占模式看懂，共享模式读者应该就可以顺着代码看懂了。而且也不分析 condition 部分，所以应该说很容易就可以看懂了。
- 本文大量使用我们平时用得最多的 ReentrantLock 的概念，本质上来说是不正确的，读者应该清楚，AQS 不仅仅用来实现锁，只是希望读者可以用锁来联想 AQS 的使用场景，降低读者的阅读压力
- ReentrantLock 的公平锁和非公平锁只有一点点区别，没有任何阅读压力
- 你需要提前知道什么是 CAS(CompareAndSet)
废话结束，开始。
CLH队列
此篇博客所有源码均来自JDK 1.8
AQS内部维护着一个FIFO队列，该队列就是CLH同步队列。
CLH同步队列是一个FIFO双向队列，AQS依赖它来完成同步状态的管理，当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
在CLH同步队列中，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用（thread）、状态（waitStatus）、前驱节点（prev）、后继节点（next），其定义如下：
static final class Node {final class Node {
/** 共享 */
static final Node SHARED = new Node(); /** 独占 */
static final Node EXCLUSIVE = null; /**
* 因为超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会参与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其他状态；
*/
static final int CANCELLED = 1; /**
* 后继节点的线程处于等待状态，而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行
*/
static final int SIGNAL = -1; /**
* 节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了signal()后，改节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
*/
static final int CONDITION = -2; /**
* 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
*/
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; /** 获取同步状态的线程 */
volatile Thread thread; Node nextWaiter; final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
} final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
} Node() {
} Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
} Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
/** 共享 */
static final Node SHARED = new Node(); /** 独占 */
static final Node EXCLUSIVE = null; /**
* 因为超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会参与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其他状态；
*/
static final int CANCELLED = 1; /**
* 后继节点的线程处于等待状态，而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行
*/
static final int SIGNAL = -1; /**
* 节点在等待队列中，节点线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了signal()后，改节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
*/
static final int CONDITION = -2; /**
* 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
*/
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; /** 获取同步状态的线程 */
volatile Thread thread; Node nextWaiter; final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
} final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null)
throw new NullPointerException();
else
return p;
} Node() {
} Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
} Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
CLH同步队列结构图如下：
入列
学了数据结构的我们，CLH队列入列是再简单不过了，无非就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点，当前最后一个节点的next指向当前节点。代码我们可以看看addWaiter(Node node)方法：
private Node addWaiter(Node mode) {private Node addWaiter(Node mode) {
//新建Node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//快速尝试添加尾节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}
//新建Node
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
//快速尝试添加尾节点
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//CAS设置尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//多次尝试
enq(node);
return node;
}
addWaiter(Node node)先通过快速尝试设置尾节点，如果失败，则调用enq(Node node)方法设置尾节点
private Node enq(final Node node) {private Node enq(final Node node) {
//多次尝试，直到成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//tail不存在，设置为首节点
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//设置为尾节点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
//多次尝试，直到成功为止
for (;;) {
Node t = tail;
//tail不存在，设置为首节点
if (t == null) {
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
//设置为尾节点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
在上面代码中，两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点，该方法可以确保节点是线程安全添加的。在enq(Node node)方法中，AQS通过“死循环”的方式来保证节点可以正确添加，只有成功添加后，当前线程才会从该方法返回，否则会一直执行下去。
过程图如下：
出列
CLH同步队列遵循FIFO，首节点的线程释放同步状态后，将会唤醒它的后继节点（next），而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点，这个过程非常简单，head执行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev即可，注意在这个过程是不需要使用CAS来保证的，因为只有一个线程能够成功获取到同步状态。过程图如下：
AQS 结构
先来看看 AQS 有哪些属性，搞清楚这些基本就知道 AQS 是什么套路了，毕竟可以猜嘛！
// 头结点，你直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾节点，每个新的节点进来，都插入到最后，也就形成了一个隐视的链表
private transient volatile Node tail;
// 这个是最重要的，不过也是最简单的，代表当前锁的状态，0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁
// 之所以说大于0，而不是等于1，是因为锁可以重入嘛，每次重入都加上1
private volatile int state;
// 代表当前持有独占锁的线程，举个最重要的使用例子，因为锁可以重入
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次，所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer
怎么样，看样子应该是很简单的吧，毕竟也就四个属性啊。
AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意如下所示，注意了，之后分析过程中所说的 queue，也就是阻塞队列不包含 head，不包含 head，不包含 head。
等待队列中每个线程被包装成一个 node，数据结构是链表，一起看看源码吧：
static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
// 标识节点当前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
// 标识节点当前在独占模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 代码此线程取消了争抢这个锁
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是，其表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition，所以略过吧，下一篇文章会介绍这个
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 同样的不分析，略过吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值为上面的1、-1、-2、-3，或者0(以后会讲到)
// 这么理解，暂时只需要知道如果这个值 大于0 代表此线程取消了等待，
// 也许就是说半天抢不到锁，不抢了，ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驱节点的引用
volatile Node prev;
// 后继节点的引用
volatile Node next;
// 这个就是线程本尊
volatile Thread thread;
}
Node 的数据结构其实也挺简单的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性而已，大家先要有这个概念在心里。
上面的是基础知识，后面会多次用到，心里要时刻记着它们，心里想着这个结构图就可以了。下面，我们开始说 ReentrantLock 的公平锁。多嘴一下，我说的阻塞队列不包含 head 节点。
首先，我们先看下 ReentrantLock 的使用方式。
// 我用个web开发中的service概念吧
public class OrderService {
// 使用static，这样每个线程拿到的是同一把锁，当然，spring mvc中service默认就是单例，别纠结这个
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
public void createOrder() {
// 比如我们同一时间，只允许一个线程创建订单
reentrantLock.lock();
// 通常，lock 之后紧跟着 try 语句
try {
// 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程)，
// 其他的线程在lock()方法上阻塞，等待获取到锁，再进来
// 执行代码...
// 执行代码...
// 执行代码...
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁，所以真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
}
Sync 有两个实现，分别为 NonfairSync（非公平锁）和 FairSync（公平锁），我们看 FairSync 部分。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
线程抢锁
很多人肯定开始嫌弃上面废话太多了，下面跟着代码走，我就不废话了。
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 争锁
final void lock() {
acquire(1);
}
// 来自父类AQS，我直接贴过来这边，下面分析的时候同样会这样做，不会给读者带来阅读压力
// 我们看到，这个方法，如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
// 否则，acquireQueued方法会将线程压到队列中
public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
// 首先调用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，这个只是试一试
// 因为有可能直接就成功了呢，也就不需要进队列排队了，
// 对于公平锁的语义就是：本来就没人持有锁，根本没必要进队列等待(又是挂起，又是等待被唤醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)没有成功，这个时候需要把当前线程挂起，放到阻塞队列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 尝试直接获取锁，返回值是boolean，代表是否获取到锁
// 返回true：1.没有线程在等待锁；2.重入锁，线程本来就持有锁，也就可以理所当然可以直接获取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此时此刻没有线程持有锁
if (c == 0) {
// 虽然此时此刻锁是可以用的，但是这是公平锁，既然是公平，就得讲究先来后到，
// 看看有没有别人在队列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有线程在等待，那就用CAS尝试一下，成功了就获取到锁了，
// 不成功的话，只能说明一个问题，就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了 =_=
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