圖解AQS系列（上）--獨佔鎖

開場白  

      AQS在juc包中簡直是基石般的存在，筆者會經過juc包中的ReentrantLock來說解AQS的獨佔鎖實現，經過Semaphore來說解下AQS共享鎖的實現。

      本文力求用直白的結構圖和詳細的描述，讓你們花最少的時間,便可以比較詳細的瞭解AQS的流程。

1、AQS等待隊列

      全部未獲取到鎖的線程，都會進入AQS的等待隊列，其實就是一個雙向鏈表，以下圖：   

      head節點是隊列初始化的時候一個節點，只表示位置，不表明實際的等待線程。head節點以後的節點就是獲取鎖失敗進入等待隊列的線程。接下來，咱們打開AQS源碼，看下Node節點都有哪些關鍵內容：

static final class Node {
    /** 共享模式 */
    static final Node SHARED = new Node();
    /** 獨佔模式 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /** 節點狀態值，表示節點已經取消 */
    static final int CANCELLED =  1;

    /** 節點狀態值，在當前節點釋放或者取消的時候，會喚醒下一個節點 */
    static final int SIGNAL    = -1;

    /** 此處可忽略，waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
    static final int CONDITION = -2;
    /**
     * 這個值是在共享鎖的時候會用到，喚醒了一個節點，會嘗試喚醒下一個節點，
     * 若是當前節點未阻塞（阻塞前就得到了鎖）,那麼當前節點的狀態會被設置成-3  
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

     //等待狀態
    volatile int waitStatus;

    //前驅節點
    volatile Node prev;

    //後繼節點
    volatile Node next;

    //等待的線程
    volatile Thread thread;

    //此處可忽略，主要是模式的判斷
    Node nextWaiter;
}複製代碼

      咱們再看下AQS的另外兩個核心屬性

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    //同步狀態值（鎖的數量）
    private volatile int state;
    
    //ps:繼承自父類AbstractOwnableSynchronizer的屬性，此處爲了顯示方便就拿過來了
    //記錄得到了鎖的線程 
    private transient Thread exclusiveOwnerThread
    
    //上文中的Node節點
    static final class Node {
       //......
    }
}複製代碼

      接下來，咱們經過ReentrantLock的加鎖和解鎖流程，來看看線程是如何加入等待隊列的，以及隊列中每一個節點的狀態值是如何變化的。

2、獨佔鎖--加鎖（ReentrantLock.lock() ）

      咱們先初略看下ReentrantLock的核心結構

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    //繼承自AQS
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        //.....
    }
    static final class NonfairSync extends Sync {
       // ..... 非公平鎖
    }
    static final class FairSync extends Sync {
       // ..... 公平鎖
    }
}複製代碼

      能夠看出，ReentrantLock主要是由內部類繼承自AQS,並實現了非公平鎖和公平鎖。咱們看下加鎖的流程（本處以非公平鎖爲例子，下文會單獨提下公平鎖的區別）：

      接下來，咱們按照流程圖的順序，看下源碼的實現細節（以非公平鎖爲例）

final void lock() {
    //嘗試快速獲取鎖
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  //成功後記錄獲取鎖的線程
    else
        acquire(1);  //走獲取鎖的常規流程
}複製代碼

      acquire()是AQS的模板方法，其中tryAcquire()由子類本身實現，而addWaiter()和acquireQueued()都是固定的。

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

      這裏主要由3個步驟。一、調用ReentrantLock的tryAcquire()方法嘗試獲取鎖。 二、若是失敗，則調用addWaiter()方法，把當前線程加入AQS的等待隊列。 三、以後調用acquireQueued()方法來自旋獲取鎖或者把當前節點的線程掛起。咱們逐步看下這3步的實現。  

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //非公平鎖的實現
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {    
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();  //狀態值
    if (c == 0) {  //鎖空閒
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {  //嘗試CAS快速搶佔狀態值
            setExclusiveOwnerThread(current);  //記錄當前線程獲取了鎖
            return true;
        }
    }
    //當前線程重入（同一線程須要重複執行加鎖的方法，好比遞歸調用）
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  
        int nextc = c + acquires;  //狀態值增長
        if (nextc < 0) // overflow 
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);  //設置狀態值
        return true;
    }
    return false;
}

複製代碼

      若是第1步獲取鎖失敗了，那麼就須要加入等待隊列。

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);  //新建一個節點（當前線程）
    // 首先會嘗試用CAS把當前新節點快速加入到尾節點
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);  //若是CAS失敗了，則自旋+CAS添加到尾節點
    return node;
}複製代碼

      看下自旋加入隊列操做

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 若是尾節點爲null，則必需要先初始化head,tail節點
            if (compareAndSetHead(new Node()))   //新建一個節點（佔位的做用）
                tail = head;  //head和tail都指向第一個位置節點
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {  //經過CAS把當前線程節點加入到等待隊列尾部
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}複製代碼

      最後，須要調用acquireQueued()方法來作最後的操做

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;  //是否取消節點
    try {
        boolean interrupted = false;  //是否中斷線程
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();  //獲取當前線程節點的前驅節點
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {  //若是前驅節點是head節點，而且當前節點線程獲取鎖成功
                setHead(node);  //把當前節點設置爲head節點（當前節點變成了位置標示的做用）
                p.next = null; // help GC  ，這裏去除原先的head節點的強引用，方便GC回收資源
                failed = false;  
                return interrupted;
            }
            //在自旋過程當中，須要判斷當前線程是否須要阻塞（正常狀況下最多循環3次，而不是無限循環。固然前驅節點一直被取消除外）
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);  //取消節點，相見下文
    }
}複製代碼

      先來看下AQS如何判斷當前線程是否須要阻塞

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;  //當前節點 的 前驅節點 的等待狀態值
    if (ws == Node.SIGNAL) 
        //若是ws==-1,則當前節點等待前驅節點喚醒，本身能夠放心的阻塞
        return true;
    if (ws > 0) {
        //ws>0，那麼前驅節點已經被取消了，那麼從前驅節點往前找到waitStatus<=0的節點
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;  //設置爲當前節點的前驅節點
    } else {
        /* 到這裏，前驅節點的ws只有0或者-3（PROPAGATE）兩種狀況，代表當前節點須要 * 等待信號喚醒，可是這裏不是立刻掛起，而是再循環一次，若是下一次還不能獲取鎖， * 那麼就會掛起當前線程 */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}複製代碼

      若是須要阻塞，那麼會執行下面方法

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);  //調用LockSupport阻塞線程（再往下是UNSAFE，再也不深刻了）
    return Thread.interrupted();  //獲取當前線程是否須要中斷，同時清理中斷標誌
}複製代碼

      下面看下取消節點都作了什麼

private void cancelAcquire(Node node) {
    // 節點爲null,啥都不作
    if (node == null)
        return;

    node.thread = null;  //釋放資源

    // 前驅節點，若是已經取消的，則跳過
    Node pred = node.prev;
    while (pred.waitStatus > 0)
        node.prev = pred = pred.prev;

    // 前驅節點的後繼節點
    Node predNext = pred.next;

    // 當前節點ws設置爲CANCELLED
    node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    // 若是當前節點是尾節點，先把前驅節點設置爲tail節點，而後在移除當前節點
    if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
        compareAndSetNext(pred, predNext, null);
    } else {
        // 若是後繼節點須要信號喚醒，那麼就把後繼節點鏈到前驅節點的後面；不然直接喚醒後繼節點
        int ws;
        if (pred != head &&
            ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
             (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
            pred.thread != null) {
            Node next = node.next;
            if (next != null && next.waitStatus <= 0)
                compareAndSetNext(pred, predNext, next);
        } else {
            //喚醒當前節點的下一個阻塞節點（釋放鎖的流程詳細講一下）
            unparkSuccessor(node);
        }
        node.next = node; // help GC
    }
}複製代碼

      到這裏，加鎖的過程已經結束了。咱們先來階段性總結下等待隊列中的節點等待狀態ws的數值變化狀況:

• 新建節點，ws==0
  
• 取消節點，ws==1 (CANCELLED)
  
• 進入等待隊列後，有概率把ws設置爲-1 （SIGNAL）   

      還有一種狀態-3（PROPAGATE），咱們會在下篇講解共享鎖的時候提到。

      上文咱們是以非公平鎖爲例子講解的，其實ReentrantLock的公平鎖和非公平鎖就一步的區別

static final class FairSync extends Sync {
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            //差異就是這個hasQueuedPredecessors()方法，若是前面有人排隊了，
            //他就不插隊了，乖乖進入等待隊列
            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;
    }
}複製代碼

      下面咱們看下釋放鎖的流程。

3、獨佔鎖--釋放鎖（ReentrantLock.unlock() ）

    釋放鎖的過程，無論公平鎖和非公平鎖，都是同樣的。咱們先來看下流程圖

      釋放鎖的流程比較簡單，咱們快速過一下源碼

//ReentrantLock.unlock()
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

//AQS的方法
public final boolean release(int arg) {
     //先嚐試釋放鎖，成功則喚醒head節點的後繼節點
    if (tryRelease(arg)) {        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}複製代碼

       看下釋放鎖的過程

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;  //減去狀態值
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {  //若是狀態值爲0，那麼重置持有鎖的線程屬性（重入鎖釋放後c仍可能大於0）
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}複製代碼

      接着講下上文一筆帶過的喚醒後繼節點線程的操做

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //提醒下，這個方法是喚醒節點的後繼節點
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)  //當前節點若是小於0，設置爲0
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);  

    /*
     * 嘗試喚醒後繼節點的阻塞線程，通常就是下一個節點
     */
    Node s = node.next;  //獲取後繼節點
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {  //若是下一個節點爲null或者已經被取消
        s = null;
        //那麼須要從尾部節點開始往前找，找到最靠近當前節點的且ws<=0的節點，而後喚醒節點線程
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);  //喚醒線程仍是調用LockSupport來實現，底層是UNSAFE類
}複製代碼

4、小結

      AQS的獨佔鎖流程到這裏就講完了。其實只要你們先了解AQS的等待隊列結構（還有另外兩個核心屬性state和持有鎖的線程變量exclusiveOwnerThread），而後再把節點等待狀態值（ws）的數值變化場景搞清楚，那麼AQS就會變得簡單直白。

      本文有提到一個模版模式，對設計模式不瞭解的同窗，能夠看下設計模式 。後續會出圖解AQS系列（下），來說解下AQS的共享鎖實現。