关于AQS的一点总结

2017年03月13日 09:48:13 那只是一股逆流阅读数：772

为什么标题叫做对于AQS的一点理解呢，因为感觉自己还没有达到能够对AQS理解透彻,哈哈。这段时间在总结以前学过的东西，发现大牛写的东西真的是厉害，越学越谦虚，越学越感觉自己还有好多好多的东西要学。大牛写的东西不仅体现在结构、架构上，而且更令人惊叹的是在细微之处。比如，HashMap的数组长度为什么是2的整数次幂；CopyOnWriteArrayList的set方法什么都没做的时候还要重新进行赋值（详情请看CopyOnWriteArrayList类set方法疑惑？）；JDK1.8中HashMap和ConcurrentHashMap的扩容操作，等等。这些细节才是体现水平的地方，我只有对大牛仰慕的份。

好吧，回到正题。
正如标题，这只是部分总结，我尝试用自己语言将其表达出来，目的是理清AQS的一些关键脉络，比如：工作原理、内部结构、线程的处理等等；
而没有对AbstractQueuedSynchronizer就行全面介绍。

如果您之前还没有接触到AQS，那么本篇博客可能对您帮助不大；
如果您也是跟我一样，已经了解过AQS想总结一下，那么我们可能会产生共鸣；
如果您之前已经对AQS非常熟悉了，如果有不对的地方希望您不吝赐教，谢谢～

一句话概括

如果要我对AQS用一句话进行概括，我会这样概括：

AQS利用CAS原子操作维护自身的状态，结合LockSupport对线程进行阻塞和唤醒从而实现更为灵活的同步操作。

两个关键点

上面的一句话提炼一下，我其实想表达两个点：

通过CAS操作维护自身的状态
一个就是如何对线程的进行处理

CAS维护自身状态

CAS

CAS，CompareAndSwap，比较并交换。是一种乐观锁的思想，不对资源进行加锁而是与原来的值进行比较并交换：如果相等，意味着这个值没有被更新过，可以进行操作；否则说明该值已经被其它线程更改过了，那么需要进行重试。
因为不需要阻塞，也就没有了线程切换的开销，所以这种方法能够取得比较好的效率；

CAS需要三个参数：

offset(内存地址)
expect(期望值)
update(需要更新的值)

操作成功返回true，否则返回false。

维护什么状态

AQS内部的属性并不是很多，我们可以找到有这么一个属性：

/**

 * The synchronization state.

 */

private volatile int state;

这个变量，我觉得是AQS非常核心的一个变量。并发包中的工具类都是通过继承AQS暴露的方法（protected）来操作这个变量，从来实现各种各样有的同步功能；

怎么维护？

这里涉及到了一个设计模式-模版方法，子类通过实现protected方法，在protected方法里面实现自己的逻辑从而影响整个流程以及对status变量的操作。

也就是说子类所有的同步功能都是建立在这个status变量上的。

这样说起来有点抽象，考虑到可阅读性以及博客的重心是在AQS上，所以我后面把concurrent包下的同步器单独写一篇博客介绍，希望大家继续关注 ^_^

LockSupport对线程的处理

如标题所示，AQS对线程的处理主要是依赖LockSupport的功能

阻塞与唤醒

最开始接触AQS的时候，我最好奇的也是这个地方：AQS不是JVM直接支持的一个关键字，不像synchronized关键字可以得到JVM的支持；而AQS只是一个普通的Java类，那么它如何对线程进行阻塞和唤醒的呢？

其实很简单（只是思路很简单，实现起来可就不简单了，哈哈）。
我们来看一个源码：



public final boolean release(int arg) {

    if (tryRelease(arg)) {

        Node h = head;

        if (h != null && h.waitStatus != 0)

            //调用unparkSuccessor()唤醒线程

            unparkSuccessor(h);

        return true;

    }

    return false;

}

//来看upparkSuccessor()方法

private void unparkSuccessor(Node node) {

    //省略无关代码

    LockSupport.unpark(s.thread);

}

public static void unpark(Thread thread) {

    //省略无关代码

    if (thread != null)

        //委托给UNSAFE#unpark方法，这是一个本地方法

        UNSAFE.unpark(thread);

}

从调用链中我们可以了解到线程的唤醒操作是委托UNSAFE#unpark方法的，而这是一个本地方法，也就是说这个唤醒操作实际上是通过操作系统完成的。
同理，我们可以推导出阻塞的实现是通过UNSAFE#park方法方法实现的。

Node与CLH队列

从doc中，我们可以找到这么一幅图，它描述了内部的队列是如何构成的（我很好奇为什么只画了prev指针，为什么没有next指针，是不是因为地方太小画不下了，哈哈）；



     +------+  prev +-----+       +-----+

head |      | <---- |     | <---- |     |  tail

     +------+       +-----+       +-----+

Node

Node，队列节点，每一个Node都持有了一个线程，对线程进行包装，方便操作。

我们需要特别关注一下其内部的五个属性：



static final class Node{

    /*当前node对象的等待状态，注意该状态并不是描述当前对象而是描述下一个节点的状态，

     * 从而来决定是否唤醒下一个节点，该节点总共有四个取值：

     * a. CANCELLED = 1：因为超时或者中断，结点会被设置为取消状态，被取消状态的结点不应该去竞争锁，

     * 只能保持取消状态不变，不能转换为其他状态。处于这种状态的结点会被踢出队列，被GC回收；

     * b. SIGNAL = -1：表示这个结点的继任结点被阻塞了，到时需要通知它；

     * c. CONDITION = -2：表示这个结点在条件队列中，因为等待某个条件而被阻塞；

     * d. PROPAGATE = -3：使用在共享模式头结点有可能牌处于这种状态，表示锁的下一次获取可以无条件传播；

     * e. 0： None of the above，新结点会处于这种状态。

     *

     * 非负值标识节点不需要被通知（唤醒）。

    */

    volatile int waitStatus;

    //当前节点的上一个节点，如果是头节点那么值为null

    volatile Node prev;

    //当前节点的下一个节点

    volatile Node next;

    //与Node绑定的线程对象

    volatile Thread thread;

    //下一个等待条件（Condition）的节点，由于Condition是独占模式，因此这里有一个简单的队列来描述Condition上的线程节点。

    Node nextWaiter;

}

当线程中的对象调用AQS子类的方法尝试更改AQS维护的状态失败时，就会将Thread对象抽象成这样的Node对象，这样更加利于管理。

Node中状态的作用：
当头节点也就是当前线程运行完毕以后，会检查自身的waitStatus，从而决定是否将后继节点唤醒。

为什么是通过检查头节点的waitStatus来决定唤醒操作，而不是检查其它节点的waitStatus?请参看请参看这篇文章-JAVA并发编程学习笔记之CLH队列锁

CLH队列

CLH队列是什么鬼？请参看这篇文章-JAVA并发编程学习笔记之CLH队列锁

上面说到当线程尝试更改AQS状态操作获得失败时，会将Thread对象抽象成Node对象，但是这些Node对象在AQS内部是如何内部管理的呢？
AQS会将Node对象加入到内部维护的一个的队列中，从上面Node的属性中我们可以得出这个队列是一个双向的链表结构。既然是链表，那么就会遵循先进先出（FIFO）规则，所以也就解决了线程排队的问题。

既然解决了排队问题，那么这个队列又是如何运作的呢？
因为遵循先进先出规则，所以我们不难想到队列的头节点应该是表示当前正在运行的线程；当头节点运行完毕，会检查自身的状态waitStatus来决定是否唤醒下一个节点。如果需要对下一个节点进行唤醒，那么会通过CAS操作将下一个节点设置成头节点；否则从队尾开始往前找，直到找到最靠前的需要唤醒的节点。



/**

 * Wakes up node's successor, if one exists.

 *

 * @param node the node

 */

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.

     *

     * 如果waitStatus小于0，那么将下一个节点设置成头节点

     */

    int ws = node.waitStatus;

    if (ws < 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.

     *

     * 如果waitStatus大于0，或者下一个节点为null，那么从后往前找

     * 之前与同学讨论的时候不是很明白为什么要从后往前找，现在看了下doc瞬间明白了：

     * 下一个节点有可能因为任务被取消了，节点有可能变为null

     */

    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);

}

总结

这篇文章没有详细说明关于AQS的所有信息，而是尝试从这两个角度去理清AQS的脉络：
1. CAS操作自身状态；
2. 如何处理线程；

然后展开的说明了CAS、自身状态的作用、如何操作、以及对线程的处理、阻塞时怎么办、如何唤醒等等；

抓住了运行原理，那么理解AQS就比较简单了；

限于篇幅以及文章的侧重点，所以没有叙述concurrent包中的同步器是如何使用AQS的，后面我会把这部分内容补上～

参考资料

JAVA并发编程学习笔记之CLH队列锁