JAVA AQS源码分析

转自:  　　http://www.cnblogs.com/pfan8/p/5010526.html

JAVA AQS的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），用于JAVA多线程的开发，从名称我们也可以看出，它实现了同步的队列，而这个队列是指线程队列。AQS类在java.util.concurrent.locks下面。

AQS和CAS作为JAVA5之后非常重要的特性，能在并发应用中提高程序性能，具体要就实际情况使用，因为JVM也在一直优化synchronized关键字，在JAVA7之后其性能也趋于稳定，不会随着线程数增加而导致性能骤降（具体可以取网上搜索对比数据）。

总之，一般情况下还是建议用synchronized

CAS（CompareAndSet）是最小粒度的操作，保证了原子性，通过硬件指令集实现。简单来说，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。

基于此，我们才能完成非阻塞同步操作（当然还有一些其他原子命令，例如FAI，LL/SC等），目的就是用乐观锁来换取性能的提升。

为什么要说CAS呢？因为AQS也是基于CAS实现的，下面进入正题，我们通过源码来具体分析下AQS的实现：

-----------------------------------------------------------------------------华丽的分隔线---------------------------------------------------------------------------------------

AQS的包结构如下　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

继承的子类有

我们从ReentrantLock来分析AQS的实现原理：

ReentrantLock是一个可重入的排他锁。可重入指当前拥有锁的对象可重复进入同步区域，防止重复操作，例如网页登陆时重复点击按钮。排他锁就是指该锁（Lock）是互斥锁，只允许一个对象拥有锁。

先看看ReentrantLock的类结构

可以看到有3个内部类Sync，NonfairSync和FairSync。其中NonfairSync和FairSync均继承Sync，而Sync继承了AQS。NonfairSync和FairSync的区别在于当一个线程释放了锁的时候，队列里的其他线程是否按照FIFO的规则去获取锁的。

换句话说，FairSync能够保证先到的线程先拿到锁（有一个特殊情况，就是队列里的线程在unpark到获取锁的过程中有新的还未加入到队列中的线程获取到锁，不过这种情况发生的概率很小，基本不用考虑），而NonfairSync不保证

下面我们看看ReentrantLock是如何实现上锁的，这是lock函数：

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

sync的lock函数为抽象的，由子类实现，这里只给出FairSync的实现

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

acquire就是AQS提供的接口

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

这里涉及到4个新方法，让我们慢慢来分析：

首先，acquire有一个参数arg，是用于判断锁持有的次数，也就是重入的次数，当锁持有者需要释放锁的时候，则要将锁的state减去arg的值。在上面可以看到，调用acquire时传入的参数为1。

1. tryAcquire：AQS里tryAcquire的实现如下

    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

明显是不对的，只抛出了一个异常，所以应该是子类覆盖了，那么看看FairSync的实现

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (!hasQueuedPredecessors() &&
                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;
    }

getState()是从ReentrantLock获取的状态，表示锁当前是否被持有，为0时表示没有线程持有锁。此时当前线程会去争取锁的持有权。

首先判断队列中是否有排在当前线程之前的线程，有的话放弃争抢锁。hasQueuedPredecessors是AQS里的方法：

    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());
    }

tail记录队列里的尾节点，head就是头结点。这个函数就是判断当前线程是否是下一个可持锁的线程

然后，当当前线程满足条件时，就通过CAS设置c的值，同时通过AbstractOwnableSynchronizer类提供的setExclusiveOwnerThread接口将当前线程锁住，用于防止volatile字段被其他线程修改（这里是看注释后的个人理解）

如果c != 0，同时锁持有者为当前线程，那么这个请求就是重入请求了，将c+=acquire。如果上诉两个条件都不满足，返回false。

2. addWaiter：

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

根据注释可以知道，首先快速插入队列，其实就是判断队列是否为空，否则就要通过enq(node)将当前节点添加至队列中，为什么这样会慢些？我们看看enq函数

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

这个方法可以好好看看：用for无限循环，考虑下多线程同时加入队列，通过CAS保证设置当前节点到尾节点。这里可能队列里的线程已经执行完任务释放锁了，所以还需要重新判断队列是否为空，因此其执行效率当然会有影响。

否则，设置前置节点，加入队列。用图例来帮助理解：

由于本身没有锁，可以有多个线程进来，如果有多个线程并发进入这个if判定区域，可能就会同时存在多个这样的数据结构，在各自形成数据结构后，多个线程都会去做compareAndSetHead(h)的动作，也就是尝试将这个临时h节点设置为head，

显然并发时只有一个线程会成功，因此成功的那个线程会执行tail = node的操作，整个AQS的链表就成为：

3. acquireQueued：节点加入队列之后，就通过该函数去等待获取锁

    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) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

同样是for无限循环，判断当前节点之前是否没有线程节点了，如果是，就去争抢锁。用上面给出的子类tryAcquire函数，成功的话设置相关参数，这里也解释了释放指针，帮助垃圾回收（GC）。

如果争抢失败，判断是否需要阻塞当前线程

    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            /*
             * This node has already set status asking a release
             * to signal it, so it can safely park.
             */
            return true;
        if (ws > 0) {
            /*
             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
             * indicate retry.
             */
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            /*
             * 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.
             */
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

waitState参数有以下几个：

1. SIGNAL：当前线程持有锁
2. CANCELLED：超时获取被中断
3. CONDITION
4. PROPAGATE
5. 0：不属于以上任何一种情况

后面两个没怎么看，大致就是需要满足多个条件，PROPAGATE用于shared锁队列。

回到上面的方法：因为AQS支持中断等待，所以如果线程中断了争抢锁（CANCELLED），那么就不需要阻塞，直接返回。acquireQueued方法没有返回，而是设置一个interrupt参数为true而已，线程争抢锁失败的话继续休眠等待，而AQS里的doAcquireInterruptibly()发现争抢失败的话就直接throw new InterruptedException()。在ReentrantLock里需要调用ReentrantLock.lockInterruptibly()就会实现中断返回。否则AQS会尝试将当前线程状态设置成SIGNAL，失败就循环继续尝试

下面是parkAndCheckInterrupt

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

LockSupport.park通过Unsafe.park实现阻塞，它会设置一个AQS的blocker，让队列里的线程阻塞在一个地方，然后返回线程中断的判断

4. selfInterrupt

    private static void selfInterrupt() {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }

acquireQueued会返回boolean值表示线程是否中断，如果未中断，就调用Thread.interrupt()中断线程

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以上是锁的实现原理，当tryAcquire()成功之后，线程获取锁，执行任务，执行完毕之后，会调用AQS的release方法：

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

tryRelease是子类Sync的实现：

    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;
    }

其他就不多说了，比较简单明晰。就看看unparkSuccessor怎么做的

    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.
         */
        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.
         */
        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);
    }

通过CAS修改节点的waitStatus，然后将后续节点去除，这里会去遍历后续节点，判断其是否状态为CANCELLED，将所有非CANCELLED的节点唤醒。