Java并发包源码学习之AQS框架（二）CLH lock queue和自旋锁

上一篇文章提到AQS是基于CLH lock queue，那么什么是CLH lock queue，说复杂很复杂说简单也简单， 所谓大道至简：

CLH lock queue其实就是一个FIFO的队列，队列中的每个结点（线程）只要等待其前继释放锁就可以了。

AbstractQueuedSynchronizer是通过一个内部类Node来实现CLH lock queue的一个变种，但基本原理是类似的。

在介绍Node类之前，我们来介绍下Spin Lock,通常就是用CLH lock queue来实现自旋锁，所谓自旋锁简单来说就是线程通过循环来等待而不是睡眠。 Talk 再多不如 show code:

class ClhSpinLock {
    private final ThreadLocal<Node> prev;
    private final ThreadLocal<Node> node;
    private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<Node>(new Node());

    public ClhSpinLock() {
        this.node = new ThreadLocal<Node>() {
            protected Node initialValue() {
                return new Node();
            }
        };

        this.prev = new ThreadLocal<Node>() {
            protected Node initialValue() {
                return null;
            }
        };
    }

    public void lock() {
        final Node node = this.node.get();
        node.locked = true;
        // 一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中，
        // 并且同时获得了前继节点的引用，然后就是等待前继释放锁
        Node pred = this.tail.getAndSet(node);
        this.prev.set(pred);
        while (pred.locked) {// 进入自旋
        }
    }

    public void unlock() {
        final Node node = this.node.get();
        node.locked = false;
        this.node.set(this.prev.get());
    }

    private static class Node {
        private volatile boolean locked;
    }
}

上面的代码中线程巧妙的通过ThreadLocal保存了当前结点和前继结点的引用，自旋就是lock中的while循环。 总的来说这种实现的好处是保证所有等待线程的公平竞争，而且没有竞争同一个变量，因为每个线程只要等待自己的前继释放就好了。 而自旋的好处是线程不需要睡眠和唤醒，减小了系统调用的开销。

public static void main(String[] args) {
    final ClhSpinLock lock = new ClhSpinLock();
    lock.lock();

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " acquired the lock!");
                lock.unlock();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(100);
    }

    System.out.println("main thread unlock!");
    lock.unlock();
}

上面代码的运行的结果应该跟上一篇文章中的完全一样。

ClhSpinLock的Node类实现很简单只有一个布尔值，AbstractQueuedSynchronizer$Node的实现稍微复杂点，大概是这样的：

     +------+  prev +-----+       +-----+
head |      | <---- |     | <---- |     |  tail
     +------+       +-----+       +-----+

• head：头指针
• tail：尾指针
• prev：指向前继的指针
• next：这个指针图中没有画出来，它跟prev相反，指向后继

关键不同就是next指针，这是因为AQS中线程不是一直在自旋的，而可能会反复的睡眠和唤醒，这就需要前继释放锁的时候通过next 指针找到其后继将其唤醒，也就是AQS的等待队列中后继是被前继唤醒的。AQS结合了自旋和睡眠/唤醒两种方法的优点。

其中线程的睡眠和唤醒就是用到我下一篇文章将要讲到的LockSupport。

最后提一点，上面的ClhSpinLock类中还有一个关键的点就是lock方法中注释的地方：

一个CAS操作即可将当前线程对应的节点加入到队列中，并获取到其前继。

实际上可以说整个AQS框架都是建立在CAS的基础上的，这些原子操作是多线程竞争的核心地带，AQS中很多绕来绕去的代码都是为了 减少竞争。我会在后面AbstractQueuedSynchronizer源码分析中做详细介绍。