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3.1 tryAcquire(int arg)
3.2 addWaiter(Node mode)
3.3 acquireQueued(final Node node, int arg)
3.5 release(int arg)
一、前言
在上一篇中，我们对LockSupport进行了阅读，因为它是实现我们今天要分析的AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）的基础，重新用一下最开始的图：
可以看到，在ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch，ReentrantReadWriteLock中都用到了继承自AQS的Sync内部类，正如AQS的java doc中一开始描述：
Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues.
为实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量，事件等）提供框架。
AQS根据模式的不同：独占（EXCLUSIVE）和共享（SHARED）模式。
- 独占：只有一个线程能执行。如ReentrantLock。
- 共享：多个线程可同时执行。如Semaphore，可以设置指定数量的线程共享资源。
对应的类根据不同的模式，来实现对应的方法。
二、结构概览
试想一下锁的应用场景，当线程试图请求资源的时候，先调用lock，如果获得锁，则得以继续执行，而没有获得，则排队阻塞，直到锁被其他线程释放，听起来就像是一个列队的结构。而实际上AQS底层就是一个先进先出的等待队列：
队列采用了链表的结构，node作为基本结构，主要有以下几个成员变量：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | static final class Node { //用来表明当前节点的等待状态，主要有下面几个： // CANCELLED: 1, 表示当前的线程被取消 // SIGNAL: -1, 表示后继节点需要运行，也就是unpark // CONDITION: -2, 表示线程在等待condition // PROPAGATE: -3, 表示后续的acquireShared能够得以执行，在共享模式中用到，后面会说 // 0, 初始状态，在队列中等待 volatile int waitStatus; // 指向前一个node volatile Node prev; // 指向后一个node volatile Node next; // 指向等待的那个线程 volatile Thread thread; // 在condition中用到 Node nextWaiter; } |
在AQS中，用head，tail来记录了队列的头和尾，方便快速操作队列：
| 1 2 3 4 5 6 | public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { private transient volatile Node head; private transient volatile Node tail; // 同步状态 private volatile int state; } |
AQS的基本框架就是：state作为同步资源状态，当线程请求锁的时候，根据state数值判断能否获得锁。不能，则加入队列中等待。当持有锁的线程释放的时候，根据队列里的顺序来决定谁先获得锁。
三、源码阅读
独占模式典型的实现就是ReentrantLock，其具体流程如下：
独占模式下对应的lock-unlock就是acquire-release。整个过程如上图所示。我们先来看一下acquire方法：
| 1 2 3 4 5 | public final void acquire( int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } |
- 调用tryAcquire()，该方法会在独占模式下尝试请求获取对象状态。具体的实现由实现类去决定。
- 如果tryAcquire()失败，即返回false，则调用addWaiter函数，将当前线程标记为独占模式，加入队列的尾部。
- 调用acquireQueued()，让线程在队列中等待获取资源，一直获取到资源后才返回。如果在等阿迪过程中被中断过，则返回true，否则返回false
- 如果线程被中断过，在获取锁之后，调用中断
3.1 tryAcquire(int arg)
下面来具体看一下各个方法：
| 1 2 3 | protected boolean tryAcquire( int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } |
前面说过了，AQS提供的是框架，其具体的实现由实现类来完成，tryAcquire就是其中之一，需要子类自己实现的方法，那既然要自己实现，为什么不加abstract关键字，因为前面提到过，只有独占模式的实现类才需要实现这个方法，像Semaphore，CountDownLatch等共享模式的类不需要用到这个方法。如果加了关键字，那么这些类还要实现，显得很鸡肋。
3.2 addWaiter(Node mode)
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | private Node addWaiter(Node mode) { // 将当前线程封装进node Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); Node pred = tail; // 插入队列尾部，并维持节点前后关系 if (pred != null ) { node.prev = pred; if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } // 上一步如果失败，在enq中继续处理 enq(node); return node; } |
逻辑相对简单，其中compareAndSetTail采用Unsafe类来实现。那么下面的enq()方法是具体做了什么呢？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | private Node enq( final Node node) { for (;;) { Node t = tail; // 队列初始化 if (t == null ) { if (compareAndSetHead( new Node())) tail = head; // 重复执行插入直到return } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } } |
enq()方法为了防止在addWaiter中，节点插入队列失败没有return，或者队列没有初始化，在for循环中反复执行，确保插入成功，返回节点。
3.3 acquireQueued(final Node node, int arg)
到目前为止，走到acquireQueued()调用了前两个方法，意味着获取资源失败，将节点加入了等待队列，那么下面要做的就是阻塞当前的线程，等待资源被是否后，再次唤醒线程来取得资源。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 | final boolean acquireQueued( final Node node, int arg) { boolean failed = true ; try { boolean interrupted = false ; for (;;) { // 获取当前节点的前一个节点 final Node p = node.predecessor(); // 前一个节点是头结点，且获取到了资源 if (p == head && tryAcquire(arg)) { setHead(node); p.next = null ; // help GC failed = false ; return interrupted; } // 不符合上面的条件，那么只能被park，等待被唤醒 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true ; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } |
acquireQueued当中，用for循环来让线程等待，直至获得资源return。而return的条件就是当前的节点是第二个节点，且头结点已经释放了资源。
再来看看shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt方法
先来说一下parkAndCheckInterrupt：
| 1 2 3 4 | private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park( this ); return Thread.interrupted(); } |
调用LockSupport.park，阻塞当前线程，当线程被重新唤醒后，返回是否被中断过。
再来重点看一下shouldParkAfterFailedAcquire：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { // 获取前一个节点的状态 int ws = pred.waitStatus; // 如果前一个节点的状态是signal，前面提到表明会unpark下一个节点，则true if (ws == Node.SIGNAL) return true ; // 如果ws > 0 即CANCELLED，则向前找，直到找到正常状态的节点。 if (ws > 0 ) { do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0 ); // 维护正常状态 pred.next = node; // 将前一个节点设置为SIGNAL } else { compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false ; } |
shouldParkAfterFailedAcquire的主要作用就是将node放置在SIGNAL状态的前节点下，确保能被唤醒，在调用该方法后，CANCELLED状态的节点因为没有引用执行它将被GC。
那么问题来了，什么时候节点会被设置为CANCELLED状态？
答案就在try-finally的cancelAcquire(node)当中。当在acquireQueued取锁的过程中，抛出了异常，则会调用cancelAcquire。将当前节点的状态设置为CANCELLED。
3.4 cancelAcquire(Node node)
我们先来看一下它的源码：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 | private void cancelAcquire(Node node) { // node为空，啥都不干 if (node == null ) return ; node.thread = null ; // while查找，直到找到非CANCELLED的节点 Node pred = node.prev; while (pred.waitStatus > 0 ) node.prev = pred = pred.prev; // 获取非CANCELLED的节点的下一个节点，predNext肯定是CANCELLED Node predNext = pred.next; // 设置当前节点为CANCELLED状态 node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 如果节点在队列尾部，直接移除自己就可以了 if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null ); } else { int ws; // 重新维护剩下的链表关系 if (pred != head && ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && pred.thread != null ) { Node next = node.next; if (next != null && next.waitStatus <= 0 ) compareAndSetNext(pred, predNext, next); } else { // 唤醒node的下一个节点 unparkSuccessor(node); } // help GC node.next = node; } } |
总结来说，cancelAcquire就是用来维护链表正常状态的关系，直接看代码认识起来可能还比较模糊，放图：
几个注意点：
- 如果node为第二个节点的时候，pred == head，唤醒下一个节点next_node，next_node线程会继续在acquireQueued的for循环中执行，调用shouldParkAfterFailedAcquire会重新维护状态，排除node节点
- 调用if里的逻辑后，可以看到next的prev还指向node，会导致node无法被gc，这一点不用担心，当next调用setHead被设置为head的时候，next的prev会被设置为null，这样node就会被gc
| 1 2 3 4 5 | private void setHead(Node node) { head = node; node.thread = null ; node.prev = null ; } |
以上部分就是acquire的所有部分，建议忘记的园友们可以回到上面重新看一下流程图，再接着稳固一遍。
3.5 release(int arg)
下面开始release的源码解析，相对于acquire来说要简单一些：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | public final boolean release( int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0 ) unparkSuccessor(h); return true ; } return false ; } |
与acquire一样，tryRelease由实现类自己实现，如果为true，则unpark队列头部的下一个节点。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | private void unparkSuccessor(Node node) { // 清楚小于0的状态 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0 ) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0 ); // 如果下一个节点是CANCELLED，则从尾部向头部找距离node最近的非CANCELLED节点 Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0 ) { s = null ; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0 ) s = t; } // unpark找到的节点 if (s != null ) LockSupport.unpark(s.thread); } |
至此acuqire-release的部分就此结束了，至于共享模式的代码大同小异，在后面分析信号量的时候会再提及~
四、总结
AQS应该是整个JUC中各个类涉及最多的了，其重要性可想而知，在了解其实现原理后，有助于我们分析其他的代码。最后谢谢各位园友观看，如果有描述不对的地方欢迎指正，与大家共同进步！
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