AbstractQueuedSynchronizer（1）原始碼解析（jdk1.8）
阿新 • • 發佈：2018-12-21
AbstractQueuedSynchronizer原始碼解析（簡稱AQS）
1.執行流程簡介
- 第一個執行緒呼叫 reentrantLock.lock()，翻到最前面可以發現，tryAcquire(1) 直接就返回 true了，結束。只是設定了 state=1（連 head 都沒有初始化，更談不上什麼阻塞佇列了）要是執行緒 1 呼叫 unlock()了，才有執行緒 2 來，那世界就太太太平了，完全沒有交集嘛，那我還要 AQS 幹嘛。
如果執行緒 1 沒有呼叫 unlock() 之前，執行緒 2 呼叫了 lock(), 想想會發生什麼？
執行緒 2 會初始化 head【new Node()】，同時執行緒 2 也會插入到阻塞佇列（雙向連結串列
）並掛起 (注意看這裡是一個for 死迴圈自旋入列，而且設定 head 和 tail 的部分是不 return 的，只有入隊成功才會跳出迴圈)
- 首先，是執行緒 2 初始化 head 節點，此時 headtail, waitStatus0
- 然後，執行緒 2 入隊同時我們也要看此時節點的 waitStatus，我們知道 head 節點是執行緒 2 初始化的，此時的 waitStatus 沒有設定， java 預設會設定為 0，但是到 shouldParkAfterFailedAcquire 這個方法的時候，執行緒 2 會把前驅節點，也就是 head 的waitStatus設定為-1。那執行緒 2 節點此時的 waitStatus 是多少呢，由於沒有設定，所以是 0；
- 同時我們也要看此時節點的 waitStatus，我們知道 head 節點是執行緒 2 初始化的，此時的 waitStatus 沒有設定， java 預設會設定為 0，但是到 shouldParkAfterFailedAcquire 這個方法的時候，執行緒 2 會把前驅節點，也就是 head 的waitStatus設定為-1。那執行緒 2 節點此時的 waitStatus 是多少呢，由於沒有設定，所以是 0；
2.程式碼分析
AQS的結構圖
//Node類可以看成是執行緒
static final class Node
// 頭結點，你直接把它當做 當前持有鎖的執行緒 可能是最好理解的 等待佇列中每個執行緒被包裝成一個 node，資料結構是連結串列。
thread + waitStatus + pre + next 四個屬性
static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
// 標識節點當前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
// 標識節點當前在獨佔模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的幾個int常量是給waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 程式碼此執行緒取消了爭搶這個鎖
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是，其表示當前node的後繼節點對應的執行緒需要被喚醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition，所以略過吧，下一篇文章會介紹這個
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 同樣的不分析，略過吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值為上面的1、-1、-2、-3，或者0(以後會講到)
// 這麼理解，暫時只需要知道如果這個值 大於0 代表此執行緒取消了等待，
// 也許就是說半天搶不到鎖，不搶了，ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驅節點的引用
volatile Node prev;
// 後繼節點的引用
volatile Node next;
// 這個就是執行緒本尊
volatile Thread thread;
}
分析AQS加鎖和解鎖的程式碼
ReentranLock的lock方法和unlock方法最終呼叫的是
AQS加鎖和解鎖方法
ReentranLock的內部類Sync 有兩個實現，分別為 NonfairSync（非公平鎖）和 FairSync（公平鎖），我們看 FairSync 部分。
1.FairSync（公平鎖）
下面是函式呼叫流程圖
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 爭鎖
final void lock() {
//該方法為AQS的方法
acquire(1);
}
acquire方法解析
// 我們看到，這個方法，如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就結束了。
// 否則，acquireQueued方法會將執行緒壓到佇列中
public final void acquire(int arg) { // 此時 arg == 1
// 首先呼叫tryAcquire(1)一下，名字上就知道，這個只是試一試
// 因為有可能直接就成功了呢，也就不需要進佇列排隊了，
// 對於公平鎖的語義就是：本來就沒人持有鎖，根本沒必要進佇列等待(又是掛起，又是等待被喚醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)沒有成功，這個時候需要把當前執行緒掛起，放到阻塞佇列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 嘗試直接獲取鎖，返回值是boolean，代表是否獲取到鎖
// 返回true：1.沒有執行緒在等待鎖；2.重入鎖，執行緒本來就持有鎖，也就可以理所當然可以直接獲取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此時此刻沒有執行緒持有鎖
if (c == 0) {
// 雖然此時此刻鎖是可以用的，但是這是公平鎖，既然是公平，就得講究先來後到，
// 看看有沒有別人在佇列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果沒有執行緒在等待，那就用CAS嘗試一下，成功了就獲取到鎖了，
// 不成功的話，只能說明一個問題，就在剛剛幾乎同一時刻有個執行緒搶先了 =_=
// 因為剛剛還沒人的，我判斷過了(因為status為0)
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到這裡就是獲取到鎖了，標記一下，告訴大家，現在是我佔用了鎖
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 會進入這個else if分支，說明是重入了，需要操作：state=state+1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 如果到這裡，說明前面的if和else if都沒有返回true，說明沒有獲取到鎖
// 回到上面一個外層呼叫方法繼續看:
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
return false;
}
// 假設tryAcquire(arg) 返回false，那麼程式碼將執行：
// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，
// 這個方法，首先需要執行：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
// 此方法的作用是把執行緒包裝成node，同時進入到佇列中
// 引數mode此時是Node.EXCLUSIVE，代表獨佔模式
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 以下幾行程式碼想把當前node加到連結串列的最後面去，也就是進到阻塞佇列的最後
Node pred = tail;
// tail!=null => 佇列不為空(tail==head的時候，其實佇列是空的，不過不管這個吧)
if (pred != null) {
// 設定自己的前驅 為當前的隊尾節點
node.prev = pred;
// 用CAS把自己設定為隊尾, 如果成功後，tail == node了
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 進到這裡說明設定成功，當前node==tail, 將自己與之前的隊尾相連，
// 上面已經有 node.prev = pred
// 加上下面這句，也就實現了和之前的尾節點雙向連線了
pred.next = node;
// 執行緒入隊了，可以返回了
return node;
}
}
// 仔細看看上面的程式碼，如果會到這裡，
// 說明 pred==null(佇列是空的) 或者 CAS失敗(有執行緒在競爭入隊)
// 讀者一定要跟上思路，如果沒有跟上，建議先不要往下讀了，往回仔細看，否則會浪費時間的
enq(node);
return node;
}
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
// 採用自旋的方式入隊
// 之前說過，到這個方法只有兩種可能：等待佇列為空，或者有執行緒競爭入隊，
// 自旋在這邊的語義是：CAS設定tail過程中，競爭一次競爭不到，我就多次競爭，總會排到的
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 之前說過，佇列為空也會進來這裡
if (t == null) { // Must initialize
// 初始化head節點
// 細心的讀者會知道原來head和tail初始化的時候都是null，反正我不細心
// 還是一步CAS，你懂的，現在可能是很多執行緒同時進來呢
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 給後面用：這個時候head節點的waitStatus==0, 看new Node()構造方法就知道了
// 這個時候有了head，但是tail還是null，設定一下，
// 把tail指向head，放心，馬上就有執行緒要來了，到時候tail就要被搶了
// 注意：這裡只是設定了tail=head，這裡可沒return哦，沒有return，沒有return
// 所以，設定完了以後，繼續for迴圈，下次就到下面的else分支了
//相當於初始化head，並將tail設定為head
tail = head;
} else {
// 下面幾行，和上一個方法 addWaiter 是一樣的，
// 只是這個套在無限迴圈裡，反正就是將當前執行緒排到隊尾，有執行緒競爭的話排不上重複排
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
// 現在，又回到這段程式碼了
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
// 下面這個方法，引數node，經過addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，此時已經進入阻塞佇列
// 注意一下：如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的話，
// 意味著上面這段程式碼將進入selfInterrupt()，所以正常情況下，下面應該返回false
// 這個方法非常重要，應該說真正的執行緒掛起，然後被喚醒後去獲取鎖，都在這個方法裡了
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// p == head 說明當前節點雖然進到了阻塞佇列，但是是阻塞佇列的第一個，因為它的前驅是head
// 注意，阻塞佇列不包含head節點，head一般指的是佔有鎖的執行緒，head後面的才稱為阻塞佇列
// 所以當前節點可以去試搶一下鎖
// 這裡我們說一下，為什麼可以去試試：
// 首先，它是隊頭，這個是第一個條件，其次，當前的head有可能是剛剛初始化的node，
// enq(node) 方法裡面有提到，head是延時初始化的，而且new Node()的時候沒有設定任何執行緒
// 也就是說，當前的head不屬於任何一個執行緒，所以作為隊頭，可以去試一試，
// tryAcquire已經分析過了, 忘記了請往前看一下，就是簡單用CAS試操作一下state
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 到這裡，說明上面的if分支沒有成功，要麼當前node本來就不是隊頭，
// 要麼就是tryAcquire(arg)沒有搶贏別人，繼續往下看
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* Checks and updates status for a node that failed to acquire.
* Returns true if thread should block. This is the main signal
* control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
*/
// 剛剛說過，會到這裡就是沒有搶到鎖唄，這個方法說的是："當前執行緒沒有搶到鎖，是否需要掛起當前執行緒？"
// 第一個引數是前驅節點，第二個引數才是代表當前執行緒的節點
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 前驅節點的 waitStatus == -1 ，說明前驅節點狀態正常，當前執行緒需要掛起，直接可以返回true（然後將執行緒掛起）
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
// 前驅節點 waitStatus大於0 ，之前說過，大於0 說明前驅節點取消了排隊。這裡需要知道這點：
// 進入阻塞佇列排隊的執行緒會被掛起，而喚醒的操作是由前驅節點完成的。
// 所以下面這塊程式碼說的是將當前節點的prev指向waitStatus<=0的節點，
// 簡單說，就是為了找個好爹，因為你還得依賴它來喚醒呢，如果前驅節點取消了排隊，
// 找前驅節點的前驅節點做爹，往前迴圈總能找到一個好爹的
if (ws > 0) {
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
/*
* waitStatus must be 0 or PROPAGATE. Indicate that we
* need a signal, but don't park yet. Caller will need to
* retry to make sure it cannot acquire before parking.
*/
// 仔細想想，如果進入到這個分支意味著什麼
// 前驅節點的waitStatus不等於-1和1，那也就是隻可能是0，-2，-3
// 在我們前面的原始碼中，都沒有看到有設定waitStatus的，所以每個新的node入隊時，waitStatu都是0（） 用CAS將前驅節點的waitStatus設定為Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
// private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
// 這個方法結束根據返回值我們簡單分析下：
// 如果返回true, 說明前驅節點的waitStatus==-1，是正常情況，那麼當前執行緒需要被掛起，等待以後被喚醒
// 我們也說過，以後是被前驅節點喚醒，就等著前驅節點拿到鎖，然後釋放鎖的時候叫你好了
// 如果返回false, 說明當前不需要被掛起，為什麼呢？往後看
// 跳回到前面是這個方法
// if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// parkAndCheckInterrupt())
// interrupted = true;
// 1. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true，
// 那麼需要執行parkAndCheckInterrupt():
// 這個方法很簡單，因為前面返回true，所以需要掛起執行緒，這個方法就是負責掛起執行緒的
// 這裡用了LockSupport.park(this)來掛起執行緒，然後就停在這裡了，等待被喚醒=======
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
// 2. 接下來說說如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的情況
// 仔細看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，我們可以發現，其實第一次進來的時候，一般都不會返回true的，原因很簡單，前驅節點的waitStatus=-1是依賴於後繼節點設定的。也就是說，我都還沒給前驅設定-1呢，怎麼可能是true呢，但是要看到，這個方法是套在迴圈裡的，所以第二次進來的時候狀態就是-1了。
// 解釋下為什麼shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的時候不直接掛起執行緒：
// => 是為了應對在經過這個方法後，node已經是head的直接後繼節點了。剩下的讀者自己想想吧。
}
（重點方法）多看幾遍 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg)
解鎖操作
介紹下喚醒的動作了。我們知道，正常情況下，如果執行緒沒獲取到鎖，執行緒會被 LockSupport.park(this); 掛起停止，等待被喚醒。
// 喚醒的程式碼還是比較簡單的，你如果上面加鎖的都看懂了，下面都不需要看就知道怎麼回事了
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 往後看吧
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否完全釋放鎖
boolean free = false;
// 其實就是重入的問題，如果c==0，也就是說沒有巢狀鎖了，可以釋放了，否則還不能釋放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
/**
* Wakes up node's successor, if one exists.
*
* @param node the node
*/
// 喚醒後繼節點
// 從上面呼叫處知道，引數node是head頭結點
private void unparkSuccessor(Node node) {
/*
* If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
* to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
* fails or if status is changed by waiting thread.
*/
int ws = node.waitStatus;
// 如果head節點當前waitStatus<0, 將其修改為0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
/*
* Thread to unpark is held in successor, which is normally
* just the next node. But if cancelled or apparently null,
* traverse backwards from tail to find the actual
* non-cancelled successor.
*/
// 下面的程式碼就是喚醒後繼節點，但是有可能後繼節點取消了等待（waitStatus==1）
// 從隊尾往前找，找到waitStatus<=0的所有節點中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 從後往前找，仔細看程式碼，不必擔心中間有節點取消(waitStatus==1)的情況
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 喚醒執行緒
LockSupport.unpark(s.thread);
}
喚醒執行緒以後，被喚醒的執行緒將從以下程式碼中繼續往前走：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 剛剛執行緒被掛起在這裡了
return Thread.interrupted();
}
// 又回到這個方法了：acquireQueued(final Node node, int arg)，這個時候，node的前驅是head了
2.NonfairSync非公平鎖
公平鎖和非公平鎖只有兩處不同：
1.非公平鎖在呼叫 lock 後，首先就會呼叫 CAS 進行一次搶鎖，如果這個時候恰巧鎖沒有被佔用，那麼直接就獲取到鎖返回了。
2.非公平鎖在 CAS 失敗後，和公平鎖一樣都會進入到 tryAcquire 方法，在 tryAcquire 方法中，如果發現鎖這個時候被釋放了（state == 0），非公平鎖會直接 CAS
搶鎖，但是公平鎖會判斷等待佇列是否有執行緒處於等待狀態，如果有則不去搶鎖，乖乖排到後面。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
總結
在併發環境下，加鎖和解鎖需要以下三個部件的協調：
**1.鎖狀態。**我們要知道鎖是不是被別的執行緒佔有了，這個就是 state 的作用，它為 0 的時候代表沒有執行緒佔有鎖，可以去爭搶這個鎖，用 CAS 將 state 設為 1，如果 CAS 成功，說明搶到了鎖，這樣其他執行緒就搶不到了，如果鎖重入的話，state進行+1 就可以，解鎖就是減 1，直到 state 又變為 0，代表釋放鎖，所以 lock() 和 unlock() 必須要配對啊。然後喚醒等待佇列中的第一個執行緒，讓其來佔有鎖。
2.執行緒的阻塞和解除阻塞。AQS 中採用了 LockSupport.park(thread) 來掛起執行緒，用 unpark 來喚醒執行緒。
3.阻塞佇列。因為爭搶鎖的執行緒可能很多，但是隻能有一個執行緒拿到鎖，其他的執行緒都必須等待，這個時候就需要一個 queue 來管理這些執行緒，AQS 用的是一個 FIFO 的佇列，就是一個連結串列，每個 node 都持有後繼節點的引用。AQS 採用了 CLH 鎖的變體來實現，