前言

AQS即AbstractQueuedSynchronizer,是JUC包中的一个核心抽象类,JUC包中的绝大多数功能都是直接或间接通过它来实现的。本文是AQS系列的第一篇,后面会持续更新多篇,争取将JUC包中AQS相关的常用功能讲清楚,一方面巩固自己的知识体系,一方面亦可与各位园友互相学习。寒冷的冬天,要用技术来温暖自己。

一、AQS与ReentrantLock的关系

先奉上一张自制的丑陋类图

从下往上看,ReentrantLock类内部有两个静态内部类FairSync和NonfairSync,分别代表了公平锁和非公平锁(注意ReentrantLock实现的锁是可重入排它锁)。这两个静态内部类又共同继承了ReentrantLock的一个内部静态抽象类Sync,此抽象类继承AQS。

类的关系搞清楚了,我们下面一起看一下源码。

二、源码解读

ReentrantLock的默认构造方法创建的是非公平锁,也可以通过传入true来指定生成公平锁。下面我们以公平锁的加锁过程为例,进行解读源码。在解读源码之前需要先明确一下AQS中的state属性,它是int类型,state=0表示当前lock没有被占用,state=1表示被占用,如果是重入状态,则重入了几次state就是几。

 public class JucLockDemo1 {
public static void main(String[] args){
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
Thread t1 = new Thread(() -> {
lock.lock();
// 业务逻辑
lock.unlock();
});
t1.start();
System.out.println("main end");
}
}

其中第5行lock方法点进去的代码:

 public void lock() {
sync.lock();
}

直接调了sync的lock方法,sync下面的lock方法是抽象方法,方法逻辑取决于具体的实现类,因为我们这里创建的是公平锁,所以进FairSync看它的lock方法实现:

 final void lock() {
acquire(1);
}

FairSync中的lock方法很简单,直接调用了acquire方法,参数是1,继续跟踪:

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

acquire方法位于AQS中,很重要,虽然只有短短的三行,但是里面的内容非常多。下面对里面的方法分别进行解读。

方法1:tryAcquire(arg)

此方法在FairSync中进行了实现,代码如下所示:

 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 判断state状态,如果是0表示锁空闲,可以去尝试获取
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}// exclusiceOwnerThread存放的是当前运行的独占线程,如果此处判断为true,说明是当前线程第二次加锁,可以重入,只是要将state+1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

第二个if判断很好理解,是ReentrantLock对重入和排他的支持(所以说它是可重入排他锁),但是判断c==0之后的逻辑就比较麻烦了。

首先理解一下当前的逻辑:如果state=0说明lock空闲,又因为是公平锁,所以要先判断当前AQS队列中还有没有排队的任务,如果没有的话,就走一个CAS将state改成1,然后设置排他的执行线程,获取执行权;如果队列中有任务,那么acquire方法只能先返回false了。那么可以推断出,hasQueuedPredecessors方法就是用来判断队列中是否有排队的

点进去看看Lea大神的实现逻辑吧。

 public final boolean hasQueuedPredecessors() {
// The correctness of this depends on head being initialized
// before tail and on head.next being accurate if the current
// thread is first in queue.
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

代码不多,但表达的意思比较晦涩。第一个判断h!=t,如果h=t,说明队列是空的,这时这个判断条件是false,方法直接就返回了,这时外面的if取反是true,会继续走CAS抢占state和排他线程,获取锁,这种情况的路就走完了。如果h!=t为true,说明现在队列中有任务,这时进入后面的大括号 ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()) ,在队列中有任务的情况下,还有两种可能,一种是队列中的第一个任务就是当前线程,另一种是第一个任务不是当前线程。因为是公平锁,如果第一个任务时当前线程的话,那么它有权再去申请一下获取锁,如果第一个任务不是当前线程,那么当前线程就乖乖排队吧,等前面的执行完了才能轮到你。后面的大括号就是对这两种情况进行了区分,我们用反向逻辑来分析。方法hasQueuedPredecessors表示如果当前线程可以去竞争锁则返回false,不能竞争锁则返回true后面大括号结果为false的话当前线程才会去抢占锁,一个或运算怎样才能是false?或的两边都是false,就是说要(s = h.next) != null && s.thread == Thread.currentThread(),意思就是队列中第一个任务不为空且第一个任务就是当前线程,而这个&&的非与上述源码中的||在逻辑上是等价的,所以到这里意思就清楚了,return的&&连接的两个条件意思是:判断是否队列不为空且(第一个任务为空或者不是当前线程)。

hasQueuedPredecessors方法讲完,tryAcquire方法就没有什么难点了,这时我们回到上面开始的acquire(int arg)方法。如果tryAcquire返回的是true,说明获取到了锁,那么就不会再走后面的流程了;如果返回的是false,则进入acquireQueue。但我们先看里面的addWaiter方法。

方法2:  addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

此方法用于生成当前线程的node节点并把它放在队尾,方法源码:

 private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);// 创建当前线程的node节点
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) { // 判断队尾是否为空,如果不为空则将node节点拼接在后面
node.prev = pred; // 将node节点连接到队尾节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 通过CAS将node节点放到队尾
pred.next = node; // 如果CAS操作成功了,那么将原队尾节点的next连接到node节点,组成双向队列
return node;
}
}
enq(node); // 能到这里的话分两种情况:1、队尾是空的;2、队尾不是空的,但是进行CAS操作时由于被其他线程抢占导致失败;
return node;
}

通过注解大家应该能梳理清楚逻辑,下面着重说一下enq(node)方法的实现:

 private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize 队尾是null,符合前面说的第一种情况
if (compareAndSetHead(new Node())) // 设置队首
tail = head; // 队首队尾都初始化成空node
} else { // 队尾不为空,是前面说的第二种情况,此种情况的处理逻辑同上面对pred != null的处理
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

可以看到此方法无限循环,直到执行完else中的逻辑。此处需要注意的一点是,如果刚开始时队列是空的,即tail是null,会触发队首队尾的初始化,初始化之后再一次循环会进入else中,将node放到原队尾的后面,返回t。注意返回的t没有用到,是在其他场景的方法中用的。

 方法3:acquireQueued(final Node node, int arg)

该方法用于获取锁,返回值表示当前获取到锁的线程在获取锁的过程中是否中断过,下面先看源码:

 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); // 获取当前节点的前一个节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 如果p==head说明node是第一个任务,那么就可以通过tryAcquire去获取锁
setHead(node); // 获取锁成功,则将node放到队首位置,并将thread和prev置为null
p.next = null; // help GC 再将p的next置为null,切断与外界的一切联系
failed = false;
return interrupted;
}// 下面if中的两个方法很重要,着重讲解
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

通过注解,相信对第一个if中的逻辑能理解清楚,下我们着重讲解第二个if中的两个方法。

第一个是 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 方法,此方法的逻辑为:

 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; // 1、对于新建的Node节点,此状态都为0(只有addConditionWaiter新建node节点时才不是0)
if (ws == Node.SIGNAL)
// 3、在2中将ws置为-1后,该方法返回false,外层for循环再走一圈,第二次进入此方法时会进入这里,直接返回true。 -1的状态表示可以将当前线程park
return true;
if (ws > 0) { do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// 2、是ws=0的话会进入这里,将ws置为-1,0的状态表示还不能park
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}

如果返回的是true,则进入第二个方法将当前线程暂停:

 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

当前面的线程执行完毕,唤醒这个线程的时候,就会从第三行开始继续执行for循环中获取锁的逻辑,直到获取锁。

到这里,ReentrantLock的lock方法便结束了,整体流程就是这样。看JUC包中的源码,可以看到写的很简洁,有时一两个简单的判断条件却代表了非常多的意思,充分显示了编程者缜密又举重若轻的实力,读这样的源码,有一种看本格推理小说般的思维上的愉悦感。

下一节我们将介绍unlock方法的原理,与本节最后一个方法就能接上了,下期再会!

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