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AQS原理與原始碼

阿新 • • 發佈：2019-02-17

一、細說AQS

在深入分析AQS之前，我想先從AQS的功能上說明下AQS，站在使用者的角度，AQS的功能可以分為兩類：獨佔鎖和共享鎖。它的所有子類中，要麼實現並使用了它獨佔鎖的API，要麼使用了共享鎖的API，而不會同時使用兩套API，即便是它最有名的子類ReentrantReadWriteLock，也是通過兩個內部類：讀鎖和寫鎖，分別實現的兩套API來實現的，到目前為止，我們只需要明白AQS在功能上有獨佔鎖和共享鎖兩種功能即可。

二、ReentrantLock的呼叫過程

經過觀察ReentrantLock把所有Lock介面的操作都委派到一個Sync類上，該類繼承了AbstractQueuedSynchronizer：

  1. abstractstaticclass Sync extends AbstractQueuedSynchronizer  

Sync又有兩個子類：

  1. /** 
  2.      * Sync object for non-fair locks 
  3.      */
  4.     staticfinalclass NonfairSync extends Sync  

  1. /** 
  2.     * Sync object for fair locks 
  3.     */
  4.    staticfinalclass FairSync extends Sync  
顯然是為了支援公平鎖和非公平鎖而定義，預設情況下為非公平鎖。
先理一下Reentrant.lock()方法的呼叫過程（預設非公平鎖）：


AbstractQueuedSynchronizer中抽象了絕大多數Lock的功能，而只把tryAcquire方法延遲到子類中去實現。tryAcquire方法的語義在於用具體子類判斷請求執行緒是否可以獲得鎖，無論成功與否AbstractQueuedSynchronizer都將處理後面的流程。

三、獲取鎖的過程

簡單說來，AbstractQueuedSynchronizer會把所有的請求執行緒構成一個CLH佇列，當一個執行緒執行完畢（lock.unlock()）時會啟用自己的後繼節點，但正在執行的執行緒並不在佇列中，而那些等待執行的執行緒全部處於阻塞狀態。


四、非公平鎖的加鎖流程

(1). 首先我們分析非公平鎖的的請求過程。我們假設在這個時候，還沒有任務執行緒獲取鎖，這個時候，第一個執行緒過來了(我們使用的是非公平鎖)，那麼第一個執行緒thread1會去獲取鎖，這時它會呼叫下面的方法，通過CAS的操作，將當前AQS的state由0變成1，證明當前thread1已經獲取到鎖，並且將AQS的exclusiveOwnerThread設定成thread1，證明當前持有鎖的執行緒是thread1。：
  1. /** 
  2.  * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal 
  3.  * acquire on failure. 
  4.  */
  5. finalvoid lock() {  
  6.     // 如果鎖沒有被任何執行緒鎖定且加鎖成功則設定當前執行緒為鎖的擁有者
  7.     if (compareAndSetState(0, 1))  
  8.         setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  
  9.     else
  10.         acquire(1);  
  11. }  

(2). 此時來了第二個執行緒thread2，並且我們假設thread1還沒有釋放鎖，因為我們使用的是非公平鎖，那麼thread2首先會進行搶佔式的去獲取鎖，呼叫NonFairSync.lock方法獲取鎖。NonFairSync.lock方法的第一個分支是通過CAS操作獲取鎖，很明顯，這一步肯定會失敗，因為此時thread1還沒有釋放鎖。那麼thread2將會走NonFairSync.lock方法的第二個分支，進行acquire(1)操作。acquire(1)其實是AQS的方法，acquire(1)方法內部首先呼叫tryAcquire方法，ReentrantLock.NonFairLock重寫了tryAcquire方法，並且ReentrantLock.NonFairLock的tryAcquire方法又呼叫了ReentrantLock.Sync的nonfairTryAcquire方法，nonfairTryAcquire方法如下：

  1. /** 
  2.         * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is 
  3.         * implemented in subclasses, but both need nonfair 
  4.         * try for trylock method. 
  5.         */
  6.        finalboolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  
  7.            final Thread current = Thread.currentThread();  
  8.            int c = getState();  
  9.            if (c == 0) {  
  10.                if (compareAndSetState(0, acquires)) {  
  11.                    setExclusiveOwnerThread(current);  
  12.                    returntrue;  
  13.                }  
  14.            }  
  15.            elseif (current == getExclusiveOwnerThread()) {  
  16.                int nextc = c + acquires;  
  17.                if (nextc < 0) // overflow
  18.                    thrownew Error("Maximum lock count exceeded");  
  19.                setState(nextc);  
  20.                returntrue;  
  21.            }  
  22.            returnfalse;  
  23.        }  

這個方法的執行邏輯如下：

1. 獲取當前將要去獲取鎖的執行緒，在此時的情況下，也就是我們的thread2執行緒。

2. 獲取當前AQS的state的值。如果此時state的值是0，那麼我們就通過CAS操作獲取鎖，然後設定AQS的exclusiveOwnerThread為thread2。很明顯，在當前的這個執行情況下，state的值是1不是0，因為我們的thread1還沒有釋放鎖。

3. 如果當前將要去獲取鎖的執行緒等於此時AQS的exclusiveOwnerThread的執行緒，則此時將state的值加1，很明顯這是重入鎖的實現方式。在此時的執行狀態下，將要去獲取鎖的執行緒不是thread1，也就是說這一步不成立。

4. 以上操作都不成立的話，我們直接返回false。

既然返回了false，那麼之後就會呼叫addWaiter方法，這個方法負責把當前無法獲取鎖的執行緒包裝為一個Node新增到隊尾。通過下面的程式碼片段我們就知道呼叫邏輯：

  1. publicfinalvoid acquire(int arg) {  
  2.         if (!tryAcquire(arg) &&  
  3.             acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))  
  4.             selfInterrupt();  
  5.     }  

我們進入到addWaiter方法內部去看：

  1. private Node addWaiter(Node mode) {  
  2.         Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);  
  3.         // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
  4.         Node pred = tail;  
  5.         if (pred != null) {  
  6.             node.prev = pred;  
  7.             if (compareAndSetTail(pred, node)) {  
  8.                 pred.next = node;  
  9.                 return node;  
  10.             }  
  11.         }  
  12.         enq(node);  
  13.         return node;  
  14.     }  
很明顯在addWaiter內部：

第一步：將當前將要去獲取鎖的執行緒也就是thread2和獨佔模式封裝為一個node物件。並且我們也知道在當前的執行環境下，執行緒阻塞佇列是空的，因為thread1獲取了鎖，thread2也是剛剛來請求鎖，所以執行緒阻塞佇列裡面是空的。很明顯，這個時候佇列的尾部tail節點也是null，那麼將直接進入到enq方法。

第二步：我們首先看下enq方法的內部實現。首先內部是一個自懸迴圈。

  1. private Node enq(final Node node) {  
  2.         for (;;) {  
  3.             Node t = tail;  
  4.             if (t == null) { // Must initialize

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