【JUC】JDK1.8源码分析之AbstractQueuedSynchronizer

一、前言

　　在锁框架中，AbstractQueuedSynchronizer抽象类可以毫不夸张的说，占据着核心地位，它提供了一个基于FIFO队列，可以用于构建锁或者其他相关同步装置的基础框架。所以很有必要好好分析。

二、AbstractQueuedSynchronizer数据结构

　　分析类，首先就要分析底层采用了何种数据结构，抓住核心点进行分析，经过分析可知，AbstractQueuedSynchronizer类的数据结构如下

　　

　　说明：AbstractQueuedSynchronizer类底层的数据结构是使用双向链表，是队列的一种实现，故也可看成是队列，其中Sync queue，即同步队列，是双向链表，包括head结点和tail结点，head结点主要用作后续的调度。而Condition queue不是必须的，其是一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单向链表。并且可能会有多个Condition queue。

三、AbstractQueuedSynchronizer源码分析

3.1 类的继承关系

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable

说明：从类继承关系可知，AbstractQueuedSynchronizer继承自AbstractOwnableSynchronizer抽象类，并且实现了Serializable接口，可以进行序列化。而AbstractOwnableSynchronizer抽象类的源码如下

 public abstract class AbstractOwnableSynchronizer
     implements java.io.Serializable {

     // 版本序列号
     private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;
     // 构造函数
     protected AbstractOwnableSynchronizer() { }
     // 独占模式下的线程
     private transient Thread exclusiveOwnerThread;

     // 设置独占线程
     protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
         exclusiveOwnerThread = thread;
     }

     // 获取独占线程
     protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
         return exclusiveOwnerThread;
     }
 }

说明：AbstractOwnableSynchronizer抽象类中，可以设置独占资源线程和获取独占资源线程。分别为setExclusiveOwnerThread与getExclusiveOwnerThread方法，这两个方法会被子类调用。

3.2 类的内部类

AbstractQueuedSynchronizer类有两个内部类，分别为Node类与ConditionObject类。下面分别做介绍。

1. Node类

 static final class Node {
         // 模式，分为共享与独占
         // 共享模式
         static final Node SHARED = new Node();
         // 独占模式
         static final Node EXCLUSIVE = null;
         // 结点状态
         // CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消
         // SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark
         // CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中
         // PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
         // 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁
         static final int CANCELLED =  1;
         static final int SIGNAL    = -1;
         static final int CONDITION = -2;
         static final int PROPAGATE = -3;        

         // 结点状态
         volatile int waitStatus;
         // 前驱结点
         volatile Node prev;
         // 后继结点
         volatile Node next;
         // 结点所对应的线程
         volatile Thread thread;
         // 下一个等待者
         Node nextWaiter;

         // 结点是否在共享模式下等待
         final boolean isShared() {
             return nextWaiter == SHARED;
         }

         // 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常
         final Node predecessor() throws NullPointerException {
             // 保存前驱结点
             Node p = prev;
             if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常
                 throw new NullPointerException();
             else // 前驱结点不为空，返回
                 return p;
         }

         // 无参构造函数
         Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
         }

         // 构造函数
          Node(Thread thread, Node mode) {    // Used by addWaiter
             this.nextWaiter = mode;
             this.thread = thread;
         }

         // 构造函数
         Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
             this.waitStatus = waitStatus;
             this.thread = thread;
         }
 }

说明：每个线程被阻塞的线程都会被封装成一个Node结点，放入队列。每个节点包含了一个Thread类型的引用，并且每个节点都存在一个状态，具体状态如下。

　　① CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消。

　　② SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，需要进行unpark操作。

　　③ CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition queue中。

　　④ PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行。

　　⑤ 值为0，表示当前节点在sync queue中，等待着获取锁。

2. ConditionObject类

 // 内部类
     public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
         // 版本号
         private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
         /** First node of condition queue. */
         // condition队列的头结点
         private transient Node firstWaiter;
         /** Last node of condition queue. */
         // condition队列的尾结点
         private transient Node lastWaiter;

         /**
          * Creates a new {@code ConditionObject} instance.
          */
         // 构造函数
         public ConditionObject() { }

         // Internal methods

         /**
          * Adds a new waiter to wait queue.
          * @return its new wait node
          */
         // 添加新的waiter到wait队列
         private Node addConditionWaiter() {
             // 保存尾结点
             Node t = lastWaiter;
             // If lastWaiter is cancelled, clean out.
             if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { // 尾结点不为空，并且尾结点的状态不为CONDITION
                 // 清除状态为CONDITION的结点
                 unlinkCancelledWaiters();
                 // 将最后一个结点重新赋值给t
                 t = lastWaiter;
             }
             // 新建一个结点
             Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
             if (t == null) // 尾结点为空
                 // 设置condition队列的头结点
                 firstWaiter = node;
             else // 尾结点不为空
                 // 设置为节点的nextWaiter域为node结点
                 t.nextWaiter = node;
             // 更新condition队列的尾结点
             lastWaiter = node;
             return node;
         }

         /**
          * Removes and transfers nodes until hit non-cancelled one or
          * null. Split out from signal in part to encourage compilers
          * to inline the case of no waiters.
          * @param first (non-null) the first node on condition queue
          */
         private void doSignal(Node first) {
             // 循环
             do {
                 if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) // 该节点的nextWaiter为空
                     // 设置尾结点为空
                     lastWaiter = null;
                 // 设置first结点的nextWaiter域
                 first.nextWaiter = null;
             } while (!transferForSignal(first) &&
                      (first = firstWaiter) != null); // 将结点从condition队列转移到sync队列失败并且condition队列中的头结点不为空，一直循环
         }

         /**
          * Removes and transfers all nodes.
          * @param first (non-null) the first node on condition queue
          */
         private void doSignalAll(Node first) {
             // condition队列的头结点尾结点都设置为空
             lastWaiter = firstWaiter = null;
             // 循环
             do {
                 // 获取first结点的nextWaiter域结点
                 Node next = first.nextWaiter;
                 // 设置first结点的nextWaiter域为空
                 first.nextWaiter = null;
                 // 将first结点从condition队列转移到sync队列
                 transferForSignal(first);
                 // 重新设置first
                 first = next;
             } while (first != null);
         }

         /**
          * Unlinks cancelled waiter nodes from condition queue.
          * Called only while holding lock. This is called when
          * cancellation occurred during condition wait, and upon
          * insertion of a new waiter when lastWaiter is seen to have
          * been cancelled. This method is needed to avoid garbage
          * retention in the absence of signals. So even though it may
          * require a full traversal, it comes into play only when
          * timeouts or cancellations occur in the absence of
          * signals. It traverses all nodes rather than stopping at a
          * particular target to unlink all pointers to garbage nodes
          * without requiring many re-traversals during cancellation
          * storms.
          */
         // 从condition队列中清除状态为CANCEL的结点
         private void unlinkCancelledWaiters() {
             // 保存condition队列头结点
             Node t = firstWaiter;
             Node trail = null;
             while (t != null) { // t不为空
                 // 下一个结点
                 Node next = t.nextWaiter;
                 if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { // t结点的状态不为CONDTION状态
                     // 设置t节点的额nextWaiter域为空
                     t.nextWaiter = null;
                     if (trail == null) // trail为空
                         // 重新设置condition队列的头结点
                         firstWaiter = next;
                     else // trail不为空
                         // 设置trail结点的nextWaiter域为next结点
                         trail.nextWaiter = next;
                     if (next == null) // next结点为空
                         // 设置condition队列的尾结点
                         lastWaiter = trail;
                 }
                 else // t结点的状态为CONDTION状态
                     // 设置trail结点
                     trail = t;
                 // 设置t结点
                 t = next;
             }
         }

         // public methods

         /**
          * Moves the longest-waiting thread, if one exists, from the
          * wait queue for this condition to the wait queue for the
          * owning lock.
          *
          * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
          *         returns {@code false}
          */
         // 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。
         public final void signal() {
             if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
                 throw new IllegalMonitorStateException();
             // 保存condition队列头结点
             Node first = firstWaiter;
             if (first != null) // 头结点不为空
                 // 唤醒一个等待线程
                 doSignal(first);
         }

         /**
          * Moves all threads from the wait queue for this condition to
          * the wait queue for the owning lock.
          *
          * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
          *         returns {@code false}
          */
         // 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。
         public final void signalAll() {
             if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
                 throw new IllegalMonitorStateException();
             // 保存condition队列头结点
             Node first = firstWaiter;
             if (first != null) // 头结点不为空
                 // 唤醒所有等待线程
                 doSignalAll(first);
         }

         /**
          * Implements uninterruptible condition wait.
          * <ol>
          * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
          * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
          *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
          * <li> Block until signalled.
          * <li> Reacquire by invoking specialized version of
          *      {@link #acquire} with saved state as argument.
          * </ol>
          */
         // 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断
         public final void awaitUninterruptibly() {
             // 添加一个结点到等待队列
             Node node = addConditionWaiter();
             // 获取释放的状态
             int savedState = fullyRelease(node);
             boolean interrupted = false;
             while (!isOnSyncQueue(node)) { //
                 // 阻塞当前线程
                 LockSupport.park(this);
                 if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断
                     // 设置interrupted状态
                     interrupted = true;
             }
             if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) //
                 selfInterrupt();
         }

         /*
          * For interruptible waits, we need to track whether to throw
          * InterruptedException, if interrupted while blocked on
          * condition, versus reinterrupt current thread, if
          * interrupted while blocked waiting to re-acquire.
          */

         /** Mode meaning to reinterrupt on exit from wait */
         private static final int REINTERRUPT =  1;
         /** Mode meaning to throw InterruptedException on exit from wait */
         private static final int THROW_IE    = -1;

         /**
          * Checks for interrupt, returning THROW_IE if interrupted
          * before signalled, REINTERRUPT if after signalled, or
          * 0 if not interrupted.
          */
         private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
             return Thread.interrupted() ?
                 (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
                 0;
         }

         /**
          * Throws InterruptedException, reinterrupts current thread, or
          * does nothing, depending on mode.
          */
         private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
             throws InterruptedException {
             if (interruptMode == THROW_IE)
                 throw new InterruptedException();
             else if (interruptMode == REINTERRUPT)
                 selfInterrupt();
         }

         /**
          * Implements interruptible condition wait.
          * <ol>
          * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
          * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
          * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
          *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
          * <li> Block until signalled or interrupted.
          * <li> Reacquire by invoking specialized version of
          *      {@link #acquire} with saved state as argument.
          * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
          * </ol>
          */
         // // 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
         public final void await() throws InterruptedException {
             if (Thread.interrupted()) // 当前线程被中断，抛出异常
                 throw new InterruptedException();
             // 在wait队列上添加一个结点
             Node node = addConditionWaiter();
             //
             int savedState = fullyRelease(node);
             int interruptMode = 0;
             while (!isOnSyncQueue(node)) {
                 // 阻塞当前线程
                 LockSupport.park(this);
                 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) // 检查结点等待时的中断类型
                     break;
             }
             if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                 interruptMode = REINTERRUPT;
             if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                 unlinkCancelledWaiters();
             if (interruptMode != 0)
                 reportInterruptAfterWait(interruptMode);
         }

         /**
          * Implements timed condition wait.
          * <ol>
          * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
          * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
          * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
          *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
          * <li> Block until signalled, interrupted, or timed out.
          * <li> Reacquire by invoking specialized version of
          *      {@link #acquire} with saved state as argument.
          * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
          * </ol>
          */
         // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
         public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
                 throws InterruptedException {
             if (Thread.interrupted())
                 throw new InterruptedException();
             Node node = addConditionWaiter();
             int savedState = fullyRelease(node);
             final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
             int interruptMode = 0;
             while (!isOnSyncQueue(node)) {
                 if (nanosTimeout <= 0L) {
                     transferAfterCancelledWait(node);
                     break;
                 }
                 if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                     LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                     break;
                 nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
             }
             if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                 interruptMode = REINTERRUPT;
             if (node.nextWaiter != null)
                 unlinkCancelledWaiters();
             if (interruptMode != 0)
                 reportInterruptAfterWait(interruptMode);
             return deadline - System.nanoTime();
         }

         /**
          * Implements absolute timed condition wait.
          * <ol>
          * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
          * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
          * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
          *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
          * <li> Block until signalled, interrupted, or timed out.
          * <li> Reacquire by invoking specialized version of
          *      {@link #acquire} with saved state as argument.
          * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
          * <li> If timed out while blocked in step 4, return false, else true.
          * </ol>
          */
         // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
         public final boolean awaitUntil(Date deadline)
                 throws InterruptedException {
             long abstime = deadline.getTime();
             if (Thread.interrupted())
                 throw new InterruptedException();
             Node node = addConditionWaiter();
             int savedState = fullyRelease(node);
             boolean timedout = false;
             int interruptMode = 0;
             while (!isOnSyncQueue(node)) {
                 if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
                     timedout = transferAfterCancelledWait(node);
                     break;
                 }
                 LockSupport.parkUntil(this, abstime);
                 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                     break;
             }
             if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                 interruptMode = REINTERRUPT;
             if (node.nextWaiter != null)
                 unlinkCancelledWaiters();
             if (interruptMode != 0)
                 reportInterruptAfterWait(interruptMode);
             return !timedout;
         }

         /**
          * Implements timed condition wait.
          * <ol>
          * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
          * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
          * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
          *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
          * <li> Block until signalled, interrupted, or timed out.
          * <li> Reacquire by invoking specialized version of
          *      {@link #acquire} with saved state as argument.
          * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
          * <li> If timed out while blocked in step 4, return false, else true.
          * </ol>
          */
         // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于：awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
         public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
                 throws InterruptedException {
             long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
             if (Thread.interrupted())
                 throw new InterruptedException();
             Node node = addConditionWaiter();
             int savedState = fullyRelease(node);
             final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
             boolean timedout = false;
             int interruptMode = 0;
             while (!isOnSyncQueue(node)) {
                 if (nanosTimeout <= 0L) {
                     timedout = transferAfterCancelledWait(node);
                     break;
                 }
                 if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                     LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                     break;
                 nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
             }
             if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                 interruptMode = REINTERRUPT;
             if (node.nextWaiter != null)
                 unlinkCancelledWaiters();
             if (interruptMode != 0)
                 reportInterruptAfterWait(interruptMode);
             return !timedout;
         }

         //  support for instrumentation

         /**
          * Returns true if this condition was created by the given
          * synchronization object.
          *
          * @return {@code true} if owned
          */
         final boolean isOwnedBy(AbstractQueuedSynchronizer sync) {
             return sync == AbstractQueuedSynchronizer.this;
         }

         /**
          * Queries whether any threads are waiting on this condition.
          * Implements {@link AbstractQueuedSynchronizer#hasWaiters(ConditionObject)}.
          *
          * @return {@code true} if there are any waiting threads
          * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
          *         returns {@code false}
          */
         //  查询是否有正在等待此条件的任何线程
         protected final boolean hasWaiters() {
             if (!isHeldExclusively())
                 throw new IllegalMonitorStateException();
             for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
                 if (w.waitStatus == Node.CONDITION)
                     return true;
             }
             return false;
         }

         /**
          * Returns an estimate of the number of threads waiting on
          * this condition.
          * Implements {@link AbstractQueuedSynchronizer#getWaitQueueLength(ConditionObject)}.
          *
          * @return the estimated number of waiting threads
          * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
          *         returns {@code false}
          */
         // 返回正在等待此条件的线程数估计值
         protected final int getWaitQueueLength() {
             if (!isHeldExclusively())
                 throw new IllegalMonitorStateException();
             int n = 0;
             for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
                 if (w.waitStatus == Node.CONDITION)
                     ++n;
             }
             return n;
         }

         /**
          * Returns a collection containing those threads that may be
          * waiting on this Condition.
          * Implements {@link AbstractQueuedSynchronizer#getWaitingThreads(ConditionObject)}.
          *
          * @return the collection of threads
          * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
          *         returns {@code false}
          */
         // 返回包含那些可能正在等待此条件的线程集合
         protected final Collection<Thread> getWaitingThreads() {
             if (!isHeldExclusively())
                 throw new IllegalMonitorStateException();
             ArrayList<Thread> list = new ArrayList<Thread>();
             for (Node w = firstWaiter; w != null; w = w.nextWaiter) {
                 if (w.waitStatus == Node.CONDITION) {
                     Thread t = w.thread;
                     if (t != null)
                         list.add(t);
                 }
             }
             return list;
         }
 }

说明：此类实现了Condition接口，Condition接口定义了条件操作规范，具体如下

 public interface Condition {

     // 等待，当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态
     void await() throws InterruptedException;

     // 等待，当前线程在接到信号之前一直处于等待状态，不响应中断
     void awaitUninterruptibly();

     //等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
     long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

     // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。此方法在行为上等效于：awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
     boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

     // 等待，当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态
     boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

     // 唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。
     void signal();

     // 唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取锁。
     void signalAll();
 }

说明：Condition接口中定义了await、signal函数，用来等待条件、释放条件。之后会详细分析CondtionObject的源码。

3.3 类的属性

 public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
     extends AbstractOwnableSynchronizer
     implements java.io.Serializable {
     // 版本号
     private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L;
     // 头结点
     private transient volatile Node head;
     // 尾结点
     private transient volatile Node tail;
     // 状态
     private volatile int state;
     // 自旋时间
     static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;

     // Unsafe类实例
     private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
     // state内存偏移地址
     private static final long stateOffset;
     // head内存偏移地址
     private static final long headOffset;
     // state内存偏移地址
     private static final long tailOffset;
     // tail内存偏移地址
     private static final long waitStatusOffset;
     // next内存偏移地址
     private static final long nextOffset;
     // 静态初始化块
     static {
         try {
             stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
                 (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
             headOffset = unsafe.objectFieldOffset
                 (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head"));
             tailOffset = unsafe.objectFieldOffset
                 (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail"));
             waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset
                 (Node.class.getDeclaredField("waitStatus"));
             nextOffset = unsafe.objectFieldOffset
                 (Node.class.getDeclaredField("next"));

         } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
     }
 }

说明：属性中包含了头结点head，尾结点tail，状态state、自旋时间spinForTimeoutThreshold，还有AbstractQueuedSynchronizer抽象的属性在内存中的偏移地址，通过该偏移地址，可以获取和设置该属性的值，同时还包括一个静态初始化块，用于加载内存偏移地址。

3.4 类的构造函数

protected AbstractQueuedSynchronizer() { }    

说明：此类构造函数为从抽象构造函数，供子类调用。

3.5 类的核心函数

1. acquire函数

　　该函数以独占模式获取(资源)，忽略中断，即线程在aquire过程中，中断此线程是无效的。源码如下　

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

由上述源码可以知道，当一个线程调用acquire时，调用方法流程如下。

　说明：

　　① 首先调用tryAcquire函数，调用此方法的线程会试图在独占模式下获取对象状态。此方法应该查询是否允许它在独占模式下获取对象状态，如果允许，则获取它。在AbstractQueuedSynchronizer源码中默认会抛出一个异常，即需要子类去重写此函数完成自己的逻辑。之后会进行分析。

　　② 若tryAcquire失败，则调用addWaiter函数，addWaiter函数完成的功能是将调用此方法的线程封装成为一个结点并放入Sync queue。

　　③ 调用acquireQueued函数，此函数完成的功能是Sync queue中的结点不断尝试获取资源，若成功，则返回true，否则，返回false。

　　由于tryAcquire默认实现是抛出异常，所以此时，不进行分析，之后会结合一个例子进行分析。

　　首先分析addWaiter函数

 / 添加等待者
     private Node addWaiter(Node mode) {
         // 新生成一个结点，默认为独占模式
         Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
         // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
         // 保存尾结点
         Node pred = tail;
         if (pred != null) { // 尾结点不为空，即已经被初始化
             // 将node结点的prev域连接到尾结点
             node.prev = pred;
             if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 比较pred是否为尾结点，是则将尾结点设置为node
                 // 设置尾结点的next域为node
                 pred.next = node;
                 return node; // 返回新生成的结点
             }
         }
         enq(node); // 尾结点为空(即还没有被初始化过)，或者是compareAndSetTail操作失败，则入队列
         return node;
 }

说明：addWaiter函数使用快速添加的方式往sync queue尾部添加结点，如果sync queue队列还没有初始化，则会使用enq插入队列中，enq方法源码如下

 // 入队列
     private Node enq(final Node node) {
         for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列
             // 保存尾结点
             Node t = tail;
             if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化
                 if (compareAndSetHead(new Node())) // 头结点为空，并设置头结点为新生成的结点
                     tail = head; // 头结点与尾结点都指向同一个新生结点
             } else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过
                 // 将node结点的prev域连接到尾结点
                 node.prev = t;
                 if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node
                     // 设置尾结点的next域为node
                     t.next = node;
                     return t; // 返回尾结点
                 }
             }
         }
 }

说明：enq函数会使用无限循环来确保节点的成功插入。

　　现在，分析acquireQueue函数。其源码如下

 // sync队列中的结点在独占且忽略中断的模式下获取(资源)
     final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
         // 标志
         boolean failed = true;
         try {
             // 中断标志
             boolean interrupted = false;
             for (;;) { // 无限循环
                 // 获取node节点的前驱结点
                 final Node p = node.predecessor();
                 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱为头结点并且成功获得锁
                     setHead(node); // 设置头结点
                     p.next = null; // help GC
                     failed = false; // 设置标志
                     return interrupted;
                 }
                 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                     parkAndCheckInterrupt())
                     interrupted = true;
             }
         } finally {
             if (failed)
                 cancelAcquire(node);
         }
 }

　　说明：首先获取当前节点的前驱节点，如果前驱节点是头结点并且能够获取(资源)，代表该当前节点能够占有锁，设置头结点为当前节点，返回。否则，调用shouldParkAfterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt函数，首先，我们看shouldParkAfterFailedAcquire函数，代码如下

 // 当获取(资源)失败后，检查并且更新结点状态
     private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
         // 获取前驱结点的状态
         int ws = pred.waitStatus;
         if (ws == Node.SIGNAL) // 状态为SIGNAL，为-1
             /*
              * This node has already set status asking a release
              * to signal it, so it can safely park.
              */
             // 可以进行park操作
             return true;
         if (ws > 0) { // 表示状态为CANCELLED，为1
             /*
              * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
              * indicate retry.
              */
             do {
                 node.prev = pred = pred.prev;
             } while (pred.waitStatus > 0); // 找到pred结点前面最近的一个状态不为CANCELLED的结点
             // 赋值pred结点的next域
             pred.next = node;
         } else { // 为PROPAGATE -3 或者是0 表示无状态,(为CONDITION -2时，表示此节点在condition queue中)
             /*
              * 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.
              */
             // 比较并设置前驱结点的状态为SIGNAL
             compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
         }
         // 不能进行park操作
         return false;
 }

说明：只有当该节点的前驱结点的状态为SIGNAL时，才可以对该结点所封装的线程进行park操作。否则，将不能进行park操作。再看parkAndCheckInterrupt函数，源码如下

 // 进行park操作并且返回该线程是否被中断
     private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
         // 在许可可用之前禁用当前线程，并且设置了blocker
         LockSupport.park(this);
         return Thread.interrupted(); // 当前线程是否已被中断，并清除中断标记位
 }

说明：parkAndCheckInterrupt函数里的逻辑是首先执行park操作，即禁用当前线程，然后返回该线程是否已经被中断。再看final块中的cancelAcquire函数，其源码如下

 // 取消继续获取(资源)
     private void cancelAcquire(Node node) {
         // Ignore if node doesn't exist
         // node为空，返回
         if (node == null)
             return;
         // 设置node结点的thread为空
         node.thread = null;

         // Skip cancelled predecessors
         // 保存node的前驱结点
         Node pred = node.prev;
         while (pred.waitStatus > 0) // 找到node前驱结点中第一个状态小于0的结点，即不为CANCELLED状态的结点
             node.prev = pred = pred.prev;

         // predNext is the apparent node to unsplice. CASes below will
         // fail if not, in which case, we lost race vs another cancel
         // or signal, so no further action is necessary.
         // 获取pred结点的下一个结点
         Node predNext = pred.next;

         // Can use unconditional write instead of CAS here.
         // After this atomic step, other Nodes can skip past us.
         // Before, we are free of interference from other threads.
         // 设置node结点的状态为CANCELLED
         node.waitStatus = Node.CANCELLED;

         // If we are the tail, remove ourselves.
         if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { // node结点为尾结点，则设置尾结点为pred结点
             // 比较并设置pred结点的next节点为null
             compareAndSetNext(pred, predNext, null);
         } else { // node结点不为尾结点，或者比较设置不成功
             // If successor needs signal, try to set pred's next-link
             // so it will get one. Otherwise wake it up to propagate.
             int ws;
             if (pred != head &&
                 ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
                  (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
                 pred.thread != null) { // （pred结点不为头结点，并且pred结点的状态为SIGNAL）或者
                                     // pred结点状态小于等于0，并且比较并设置等待状态为SIGNAL成功，并且pred结点所封装的线程不为空
                 // 保存结点的后继
                 Node next = node.next;
                 if (next != null && next.waitStatus <= 0) // 后继不为空并且后继的状态小于等于0
                     compareAndSetNext(pred, predNext, next); // 比较并设置pred.next = next;
             } else {
                 unparkSuccessor(node); // 释放node的前一个结点
             }

             node.next = node; // help GC
         }
 }

说明：该函数完成的功能就是取消当前线程对资源的获取，即设置该结点的状态为CANCELLED，接着我们再看unparkSuccessor函数，源码如下

 // 释放后继结点
     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.
          */
         // 获取node结点的等待状态
         int ws = node.waitStatus;
         if (ws < 0) // 状态值小于0，为SIGNAL -1 或 CONDITION -2 或 PROPAGATE -3
             // 比较并且设置结点等待状态，设置为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.
          */
         // 获取node节点的下一个结点
         Node s = node.next;
         if (s == null || s.waitStatus > 0) { // 下一个结点为空或者下一个节点的等待状态大于0，即为CANCELLED
             // s赋值为空
             s = null;
             // 从尾结点开始从后往前开始遍历
             for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                 if (t.waitStatus <= 0) // 找到等待状态小于等于0的结点，找到最前的状态小于等于0的结点
                     // 保存结点
                     s = t;
         }
         if (s != null) // 该结点不为为空，释放许可
             LockSupport.unpark(s.thread);
 }

说明：该函数的作用就是为了释放node节点的后继结点。

　　对于cancelAcquire与unparkSuccessor函数，如下示意图可以清晰的表示。

说明：其中node为参数，在执行完cancelAcquire函数后的效果就是unpark了s结点所包含的t4线程。

　　现在，再来看acquireQueued函数的整个的逻辑。逻辑如下

　　① 判断结点的前驱是否为head并且是否成功获取(资源)。

　　② 若步骤①均满足，则设置结点为head，之后会判断是否finally模块，然后返回。

　　③ 若步骤①不满足，则判断是否需要park当前线程，是否需要park当前线程的逻辑是判断结点的前驱结点的状态是否为SIGNAL，若是，则park当前结点，否则，不进行park操作。

　　④ 若park了当前线程，之后某个线程对本线程unpark后，并且本线程也获得机会运行。那么，将会继续进行步骤①的判断。

2. release

以独占模式释放对象，其源码如下

 public final boolean release(int arg) {
         if (tryRelease(arg)) { // 释放成功
             // 保存头结点
             Node h = head;
             if (h != null && h.waitStatus != 0) // 头结点不为空并且头结点状态不为0
                 unparkSuccessor(h); //释放头结点的后继结点
             return true;
         }
         return false;
 }

说明：其中，tryRelease的默认实现是抛出异常，需要具体的子类实现，如果tryRelease成功，那么如果头结点不为空并且头结点的状态不为0，则释放头结点的后继结点，unparkSuccessor函数已经分析过，不再累赘。

　　对于其他函数我们也可以分析，与前面分析的函数大同小异，所以，不再累赘。

四、示例分析

1. 示例一

借助下面示例来分析AbstractQueuedSyncrhonizer内部的工作机制。示例源码如下

 package com.hust.grid.leesf.abstractqueuedsynchronizer;

 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

 class MyThread extends Thread {
     private Lock lock;
     public MyThread(String name, Lock lock) {
         super(name);
         this.lock = lock;
     }

     public void run () {
         lock.lock();
         try {
             System.out.println(Thread.currentThread() + " running");
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }
 }
 public class AbstractQueuedSynchonizerDemo {
     public static void main(String[] args) {
         Lock lock = new ReentrantLock();

         MyThread t1 = new MyThread("t1", lock);
         MyThread t2 = new MyThread("t2", lock);
         t1.start();
         t2.start();
     }
 }

运行结果（可能的一种）：

 Thread[t1,5,main] running
 Thread[t2,5,main] running

结果分析：从示例可知，线程t1与t2共用了一把锁，即同一个lock。可能会存在如下一种时序。

　说明：首先线程t1先执行lock.lock操作，然后t2执行lock.lock操作，然后t1执行lock.unlock操作，最后t2执行lock.unlock操作。基于这样的时序，分析AbstractQueuedSynchronizer内部的工作机制。

　　① t1线程调用lock.lock函数，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

说明：其中，前面的部分表示哪个类，后面是具体的类中的哪个方法，AQS表示AbstractQueuedSynchronizer类，AOS表示AbstractOwnableSynchronizer类。

　　② t2线程调用lock.lock函数，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

说明：经过一系列的函数调用，最后达到的状态是禁用t2线程，因为调用了LockSupport.lock。

　　③ t1线程调用lock.unlock，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

说明：t1线程中调用lock.unlock后，经过一系列的调用，最终的状态是释放了许可，因为调用了LockSupport.unpark。这时，t2线程就可以继续运行了。此时，会继续恢复t2线程运行环境，继续执行LockSupport.park后面的语句，即进一步调用如下。

说明：在上一步调用了LockSupport.unpark后，t2线程恢复运行，则运行parkAndCheckInterrupt，之后，继续运行acquireQueued函数，最后达到的状态是头结点head与尾结点tail均指向了t2线程所在的结点，并且之前的头结点已经从sync队列中断开了。

　　④ t2线程调用lock.unlock，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

说明：t2线程执行lock.unlock后，最终达到的状态还是与之前的状态一样。

2. 示例二

下面我们结合Condition实现生产者与消费者，来进一步分析AbstractQueuedSynchronizer的内部工作机制。

　　Depot（仓库）类

 package com.hust.grid.leesf.reentrantLock;

 import java.util.concurrent.locks.Condition;
 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

 public class Depot {
     private int size;
     private int capacity;
     private Lock lock;
     private Condition fullCondition;
     private Condition emptyCondition;

     public Depot(int capacity) {
         this.capacity = capacity;
         lock = new ReentrantLock();
         fullCondition = lock.newCondition();
         emptyCondition = lock.newCondition();
     }

     public void produce(int no) {
         lock.lock();
         int left = no;
         try {
             while (left > 0) {
                 while (size >= capacity)  {
                     System.out.println(Thread.currentThread() + " before await");
                     fullCondition.await();
                     System.out.println(Thread.currentThread() + " after await");
                 }
                 int inc = (left + size) > capacity ? (capacity - size) : left;
                 left -= inc;
                 size += inc;
                 System.out.println("produce = " + inc + ", size = " + size);
                 emptyCondition.signal();
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }

     public void consume(int no) {
         lock.lock();
         int left = no;
         try {
             while (left > 0) {
                 while (size <= 0) {
                     System.out.println(Thread.currentThread() + " before await");
                     emptyCondition.await();
                     System.out.println(Thread.currentThread() + " after await");
                 }
                 int dec = (size - left) > 0 ? left : size;
                 left -= dec;
                 size -= dec;
                 System.out.println("consume = " + dec + ", size = " + size);
                 fullCondition.signal();
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }
 }

测试类

 package com.hust.grid.leesf.reentrantLock;

 class Consumer {
     private Depot depot;
     public Consumer(Depot depot) {
         this.depot = depot;
     }

     public void consume(int no) {
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 depot.consume(no);
             }
         }, no + " consume thread").start();
     }
 }

 class Producer {
     private Depot depot;
     public Producer(Depot depot) {
         this.depot = depot;
     }

     public void produce(int no) {
         new Thread(new Runnable() {

             @Override
             public void run() {
                 depot.produce(no);
             }
         }, no + " produce thread").start();
     }
 }

 public class ReentrantLockDemo {
     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         Depot depot = new Depot(500);
         new Producer(depot).produce(500);
         new Producer(depot).produce(200);
         new Consumer(depot).consume(500);
         new Consumer(depot).consume(200);
     }
 }

运行结果（可能的一种）：

produce = 500, size = 500
Thread[200 produce thread,5,main] before await
consume = 500, size = 0
Thread[200 consume thread,5,main] before await
Thread[200 produce thread,5,main] after await
produce = 200, size = 200
Thread[200 consume thread,5,main] after await
consume = 200, size = 0

说明：根据结果，我们猜测一种可能的时序如下

　说明：p1代表produce 500的那个线程，p2代表produce 200的那个线程，c1代表consume 500的那个线程，c2代表consume 200的那个线程。

　　1. p1线程调用lock.lock，获得锁，继续运行，函数调用顺序在前面已经给出。

　　2. p2线程调用lock.lock，由前面的分析可得到如下的最终状态。

　说明：p2线程调用lock.lock后，会禁止p2线程的继续运行，因为执行了LockSupport.park操作。

　　3. c1线程调用lock.lock，由前面的分析得到如下的最终状态。

说明：最终c1线程会在sync queue队列的尾部，并且其结点的前驱结点（包含p2的结点）的waitStatus变为了SIGNAL。

　　4. c2线程调用lock.lock，由前面的分析得到如下的最终状态。

说明：最终c1线程会在sync queue队列的尾部，并且其结点的前驱结点（包含c1的结点）的waitStatus变为了SIGNAL。

　　5. p1线程执行emptyCondition.signal，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

说明：AQS.CO表示AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject类。此时调用signal方法不会产生任何其他效果。

　　6. p1线程执行lock.unlock，根据前面的分析可知，最终的状态如下。

　　说明：此时，p2线程所在的结点为头结点，并且其他两个线程（c1、c2）依旧被禁止，所以，此时p2线程继续运行，执行用户逻辑。

　　7. p2线程执行fullCondition.await，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

　　说明：最终到达的状态是新生成了一个结点，包含了p2线程，此结点在condition queue中；并且sync queue中p2线程被禁止了，因为在执行了LockSupport.park操作。从函数一些调用可知，在await操作中线程会释放锁资源，供其他线程获取。同时，head结点后继结点的包含的线程的许可被释放了，故其可以继续运行。由于此时，只有c1线程可以运行，故运行c1。

　　8. 继续运行c1线程，c1线程由于之前被park了，所以此时恢复，继续之前的步骤，即还是执行前面提到的acquireQueued函数，之后，c1判断自己的前驱结点为head，并且可以获取锁资源，最终到达的状态如下。

　　说明：其中，head设置为包含c1线程的结点，c1继续运行。

　　9. c1线程执行fullCondtion.signal，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

　　

　　说明：signal函数达到的最终结果是将包含p2线程的结点从condition queue中转移到sync queue中，之后condition queue为null，之前的尾结点的状态变为SIGNAL。

　　10. c1线程执行lock.unlock操作，根据之前的分析，经历的状态变化如下。

　　

　　说明：最终c2线程会获取锁资源，继续运行用户逻辑。

　　11. c2线程执行emptyCondition.await，由前面的第七步分析，可知最终的状态如下。

　　说明：await操作将会生成一个结点放入condition queue中与之前的一个condition queue是不相同的，并且unpark头结点后面的结点，即包含线程p2的结点。

　　12. p2线程被unpark，故可以继续运行，经过CPU调度后，p2继续运行，之后p2线程在AQS:await函数中被park，继续AQS.CO:await函数的运行，其函数调用顺序如下，只给出了主要的函数调用。

　　13. p2继续运行，执行emptyCondition.signal，根据第九步分析可知，最终到达的状态如下。

　　说明：最终，将condition queue中的结点转移到sync queue中，并添加至尾部，condition queue会为空，并且将head的状态设置为SIGNAL。

　　14. p2线程执行lock.unlock操作，根据前面的分析可知，最后的到达的状态如下。

　　

　　说明：unlock操作会释放c2线程的许可，并且将头结点设置为c2线程所在的结点。

　　15. c2线程继续运行，执行fullCondition. signal，由于此时fullCondition的condition queue已经不存在任何结点了，故其不会产生作用。

　　16. c2执行lock.unlock，由于c2是sync队列中最后一个结点，故其不会再调用unparkSuccessor了，直接返回true。即整个流程就完成了。

五、总结

　　对于AbstractQueuedSynchronizer的分析，最核心的就是sync queue的分析。

　　① 每一个结点都是由前一个结点唤醒

　　② 当结点发现前驱结点是head并且尝试获取成功，则会轮到该线程运行。

　　③ condition queue中的结点向sync queue中转移是通过signal操作完成的。

　　④ 当结点的状态为SIGNAL时，表示后面的结点需要运行。

　　当然，此次分析没有涉及到中断操作，如果涉及到中断操作，又会复杂得多，以后遇到这种情况，我们再进行详细分析，AbstractQueuedSynchronizer类的设计令人叹为观止，以后有机会还会进行分析。也谢谢各位园友的观看~

最后给出两篇参考链接

http://ifeve.com/introduce-abstractqueuedsynchronizer/

http://blog.csdn.net/chen77716/article/details/6641477

转载：https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5350186.html