AQS实现原理

AQS实现原理

AQS中维护了一个volatile int state（共享资源）和一个CLH队列。当state=1时代表当前对象锁已经被占用，其他线程来加锁时则会失败，失败的线程被放入一个FIFO的等待队列中，然后会被UNSAFE.park()操作挂起，等待已经获得锁的线程释放锁才能被唤醒。

我们拿具体场景来分析，假设同时有三个线程并发抢占锁，此时线程一抢占成功，线程二、三抢占失败，具体流程如下：

此时AQS内部数据结构为：

上图可以看到等待队列中的节点Node是一个双向链表，这里SIGNAL是Node中waitStatus属性。

以非公平锁看下具体实现：

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.NonfairSync：

static final class NonfairSync extends Sync {
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

线程进来直接利用CAS尝试抢占锁，如果抢占成功state值会被修改为1，且设置对象独占锁线程为当前线程。

线程抢占实现

线程二抢占失败，执行acquire(1)方法。

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire()：

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
}

tryAcquire是AbstractQueuedSynchronizer的方法，未提供对应实现，由子类实现：

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock .nonfairTryAcquire()：

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)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

nonfairTryAcquire()方法中首先会获取state的值，如果不为0则说明当前对象的锁已经被其他线程占有，接着判断占有锁的线程是否为当前线程，如果是则累加state值，这里其实就是可重入锁的具体实现。如果state为0，则执行CAS操作，尝试更新state值为1，如果更新成功则代表当前线程加锁成功。

当前线程二执行tryAcquire()后返回false，接着执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)逻辑，将自己加入到一个FIFO等待队列中，代码实现如下：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.addWaiter()：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

此时队列中tail指针为空，直接调用enq(node)方法将当前线程加入等待队列尾部：

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

第一次循环时tail为空，创建一个哨兵节点，head指向这个哨兵节点；第二次循环，将线程二对应的node节点挂载到head节点后面并返回当前线程创建的节点信息。继续往后执行acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)逻辑，此时传入的参数为线程二对应的node节点信息。

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued()：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndChecknIterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

acquireQueued()会先判断当前传入的Node对应的前置节点是否为head，如果是则尝试加锁。加锁成功则将当前节点设置为head节点，然后删除之前的head节点。

如果加锁失败或者Node的前置节点不是head节点，就会通过shouldParkAfterFailedAcquire方法将head节点的waitStatus变成SIGNAL=-1，最后执行parkAndChecknIterrupt方法，调用LockSupport.park()挂起当前线程。此时线程二需要等待其他线程释放锁来唤醒。

线程释放实现

线程一执行完后释放锁，具体代码如下：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release()：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

先执行tryRelease方法，如果执行成功，则继续判断head节点的waitStatus是否为0，这个值为SIGNAL=-1不为0，继续执行unparkSuccessor()方法唤醒head的后置节点。

ReentrantLock.tryRelease()：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

执行完ReentrantLock.tryRelease()后，state被设置为0，Lock对象的独占锁被设置为null。

接着执行java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.unparkSuccessor()方法，唤醒head的后置节点：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    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;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

这里主要是将head节点的waitStatus设置为0，然后解除head节点next的指向，使head几点空置，等待被垃圾回收。

此时重新将head指针指向线程二对应的Node节点，且使用LockSupport.unpark方法来唤醒线程二。被唤醒的线程会接着尝试获取锁，用CAS指令修改state数据。执行完成后AQS中的数据结构如下：