解讀AbstractQueuedSynchronizer
前言
在咱們學校java併發編程的時候，併發包絕對是最值得咱們研究的資源。在分析併發包源碼的時候，少不了須要AbstractQueuedSynchronizer(如下簡寫AQS)，它是整個併發包的基礎工具類，是實現ReentranLock、CountDownLatch、Semaphore、FutrureTask等類的基礎。
本文從ReentranLock的公平鎖源碼出發，分析下AQS怎麼工做的，但願能給你們一點幫助。java
AQS結構
先來看看 AQS 有哪些屬性，搞清楚這些基本就知道 AQS 是什麼套路了，畢竟能夠猜嘛！node
// 頭結點，你直接把它當作 當前持有鎖的線程 多是最好理解的
private transient volatile Node head;
// 阻塞的尾節點，每一個新的節點進來，都插入到最後，也就造成了一個隱視的鏈表
private transient volatile Node tail;
// 這個是最重要的，不過也是最簡單的，表明當前鎖的狀態，0表明沒有被佔用，大於0表明有線程持有當前鎖
// 之因此說大於0，而不是等於1，是由於鎖能夠重入嘛，每次重入都加上1
private volatile int state;
// 表明當前持有獨佔鎖的線程，舉個最重要的使用例子，由於鎖能夠重入
// reentrantLock.lock()能夠嵌套調用屢次，因此每次用這個來判斷當前線程是否已經擁有了鎖
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread; //繼承自AbstractOwnableSynchronizer
怎麼樣，看樣子應該是很簡單的吧，畢竟也就四個屬性啊。web
AbstractQueuedSynchronizer 的等待隊列示意以下所示，注意了，以後分析過程當中所說的 queue，也就是阻塞隊列不包含 head，不包含 head，不包含 head。
spring
等待隊列中每一個線程被包裝成一個 node，數據結構是鏈表，一塊兒看看源碼吧：編程
static final class Node {
/** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
// 標識節點當前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
/** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
// 標識節點當前在獨佔模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;
// ======== 下面的幾個int常量是給waitStatus用的 ===========
/** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
// 代碼此線程取消了爭搶這個鎖
static final int CANCELLED = 1;
/** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
// 官方的描述是，其表示當前node的後繼節點對應的線程須要被喚醒
static final int SIGNAL = -1;
/** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
// 本文不分析condition，因此略過吧，下一篇文章會介紹這個
static final int CONDITION = -2;
/**
* waitStatus value to indicate the next acquireShared should
* unconditionally propagate
*/
// 一樣的不分析，略過吧
static final int PROPAGATE = -3;
// =====================================================
// 取值爲上面的一、-一、-二、-3，或者0(之後會講到)
// 這麼理解，暫時只須要知道若是這個值 大於0 表明此線程取消了等待，
// 也許就是說半天搶不到鎖，不搶了，ReentrantLock是能夠指定timeouot的。。。
volatile int waitStatus;
// 前驅節點的引用
volatile Node prev;
// 後繼節點的引用
volatile Node next;
// 這個就是線程本尊
volatile Thread thread;
}
Node 的數據結構其實也挺簡單的，就是 thread + waitStatus + pre + next 四個屬性而已，你們先要有這個概念在內心。數據結構
上面的是基礎知識，後面會屢次用到，內心要時刻記着它們，內心想着這個結構圖就能夠了。下面，咱們開始說 ReentrantLock 的公平鎖。多嘴一下，我說的阻塞隊列不包含 head 節點。多線程
首先，咱們先看下 ReentrantLock 的使用方式。併發
// 我用個web開發中的service概念吧
public class OrderService {
// 使用static，這樣每一個線程拿到的是同一把鎖，固然，spring mvc中service默認就是單例，別糾結這個
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
public void createOrder() {
// 好比咱們同一時間，只容許一個線程建立訂單
reentrantLock.lock();
// 一般，lock 以後緊跟着 try 語句
try {
// 這塊代碼同一時間只能有一個線程進來(獲取到鎖的線程)，
// 其餘的線程在lock()方法上阻塞，等待獲取到鎖，再進來
// 執行代碼...
// 執行代碼...
// 執行代碼...
} finally {
// 釋放鎖
reentrantLock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock 在內部用了內部類 Sync 來管理鎖，因此真正的獲取鎖和釋放鎖是由 Sync 的實現類來控制的。Sync 有兩個實現，分別爲 NonfairSync（非公平鎖）和 FairSync（公平鎖），咱們看 FairSync 部分。mvc
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
}
線程搶鎖
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
// 爭鎖
final void lock() {
acquire(1);
}
// 來自父類AQS，我直接貼過來這邊，下面分析的時候一樣會這樣作，不會給讀者帶來閱讀壓力
// 咱們看到，這個方法，若是tryAcquire(arg) 返回true, 也就結束了。
// 不然，acquireQueued方法會將線程壓到隊列中
public final void acquire(int arg) { // 此時 arg == 1
// 首先調用tryAcquire(1)一下，名字上就知道，這個只是試一試
// 由於有可能直接就成功了呢，也就不須要進隊列排隊了，
// 對於公平鎖的語義就是：原本就沒人持有鎖，根本不必進隊列等待(又是掛起，又是等待被喚醒的)
if (!tryAcquire(arg) &&
// tryAcquire(arg)沒有成功，這個時候須要把當前線程掛起，放到阻塞隊列中。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
// 嘗試直接獲取鎖，返回值是boolean，表明是否獲取到鎖
// 返回true：1.沒有線程在等待鎖；2.重入鎖，線程原本就持有鎖，也就能夠理所固然能夠直接獲取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// state == 0 此時此刻沒有線程持有鎖
if (c == 0) {
// 雖然此時此刻鎖是能夠用的，可是這是公平鎖，既然是公平，就得講究先來後到，
// 看看有沒有別人在隊列中等了半天了
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 若是沒有線程在等待，那就用CAS嘗試一下，成功了就獲取到鎖了，
// 不成功的話，只能說明一個問題，就在剛剛幾乎同一時刻有個線程搶先了 =_=
// 由於剛剛還沒人的，我判斷過了???
compareAndSetState(0, acquires)) {
// 到這裏就是獲取到鎖了，標記一下，告訴你們，如今是我佔用了鎖
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 會進入這個else if分支，說明是重入了，須要操做：state=state+1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
// 若是到這裏，說明前面的if和else if都沒有返回true，說明沒有獲取到鎖
// 回到上面一個外層調用方法繼續看:
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
return false;
}
// 假設tryAcquire(arg) 返回false，那麼代碼將執行：
// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，
// 這個方法，首先須要執行：addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
// 此方法的做用是把線程包裝成node，同時進入到隊列中
// 參數mode此時是Node.EXCLUSIVE，表明獨佔模式
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
// 如下幾行代碼想把當前node加到鏈表的最後面去，也就是進到阻塞隊列的最後
Node pred = tail;
// tail!=null => 隊列不爲空(tail==head的時候，其實隊列是空的，不過無論這個吧)
if (pred != null) {
// 設置本身的前驅 爲當前的隊尾節點
node.prev = pred;
// 用CAS把本身設置爲隊尾, 若是成功後，tail == node了
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 進到這裏說明設置成功，當前node==tail, 將本身與以前的隊尾相連，
// 上面已經有 node.prev = pred
// 加上下面這句，也就實現了和以前的尾節點雙向鏈接了
pred.next = node;
// 線程入隊了，能夠返回了
return node;
}
}
// 仔細看看上面的代碼，若是會到這裏，
// 說明 pred==null(隊列是空的) 或者 CAS失敗(有線程在競爭入隊)
// 讀者必定要跟上思路，若是沒有跟上，建議先不要往下讀了，往回仔細看，不然會浪費時間的
enq(node);
return node;
}
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
// 採用自旋的方式入隊
// 以前說過，到這個方法只有兩種可能：等待隊列爲空，或者有線程競爭入隊，
// 自旋在這邊的語義是：CAS設置tail過程當中，競爭一次競爭不到，我就屢次競爭，總會排到的
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 以前說過，隊列爲空也會進來這裏
if (t == null) { // Must initialize
// 初始化head節點
// 細心的讀者會知道原來head和tail初始化的時候都是null，反正我不細心
// 仍是一步CAS，你懂的，如今多是不少線程同時進來呢
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 給後面用：這個時候head節點的waitStatus==0, 看new Node()構造方法就知道了
// 這個時候有了head，可是tail仍是null，設置一下，
// 把tail指向head，放心，立刻就有線程要來了，到時候tail就要被搶了
// 注意：這裏只是設置了tail=head，這裏可沒return哦，沒有return，沒有return
// 因此，設置完了之後，繼續for循環，下次就到下面的else分支了
tail = head;
} else {
// 下面幾行，和上一個方法 addWaiter 是同樣的，
// 只是這個套在無限循環裏，反正就是將當前線程排到隊尾，有線程競爭的話排不上重複排
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
// 如今，又回到這段代碼了
// if (!tryAcquire(arg)
// && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
// selfInterrupt();
// 下面這個方法，參數node，通過addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，此時已經進入阻塞隊列
// 注意一下：若是acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的話，
// 意味着上面這段代碼將進入selfInterrupt()，因此正常狀況下，下面應該返回false
// 這個方法很是重要，應該說真正的線程掛起，而後被喚醒後去獲取鎖，都在這個方法裏了
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// p == head 說明當前節點雖然進到了阻塞隊列，可是是阻塞隊列的第一個，由於它的前驅是head
// 注意，阻塞隊列不包含head節點，head通常指的是佔有鎖的線程，head後面的才稱爲阻塞隊列
// 因此當前節點能夠去試搶一下鎖
// 這裏咱們說一下，爲何能夠去試試：
// 首先，它是隊頭，這個是第一個條件，其次，當前的head有多是剛剛初始化的node，
// enq(node) 方法裏面有提到，head是延時初始化的，並且new Node()的時候沒有設置任何線程
// 也就是說，當前的head不屬於任何一個線程，因此做爲隊頭，能夠去試一試，
// tryAcquire已經分析過了, 忘記了請往前看一下，就是簡單用CAS試操做一下state
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 到這裏，說明上面的if分支沒有成功，要麼當前node原本就不是隊頭，
// 要麼就是tryAcquire(arg)沒有搶贏別人，繼續往下看
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* Checks and updates status for a node that failed to acquire.
* Returns true if thread should block. This is the main signal
* control in all acquire loops. Requires that pred == node.prev
*
* @param pred node's predecessor holding status
* @param node the node
* @return {@code true} if thread should block
*/
// 剛剛說過，會到這裏就是沒有搶到鎖唄，這個方法說的是："當前線程沒有搶到鎖，是否須要掛起當前線程？"
// 第一個參數是前驅節點，第二個參數纔是表明當前線程的節點
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 前驅節點的 waitStatus == -1 ，說明前驅節點狀態正常，當前線程須要掛起，直接能夠返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
// 前驅節點 waitStatus大於0 ，以前說過，大於0 說明前驅節點取消了排隊。這裏須要知道這點：
// 進入阻塞隊列排隊的線程會被掛起，而喚醒的操做是由前驅節點完成的。
// 因此下面這塊代碼說的是將當前節點的prev指向waitStatus<=0的節點，
// 簡單說，就是爲了找個好爹，由於你還得依賴它來喚醒呢，若是前驅節點取消了排隊，
// 找前驅節點的前驅節點作爹，往前循環總能找到一個好爹的
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.
*/
// 仔細想一想，若是進入到這個分支意味着什麼
// 前驅節點的waitStatus不等於-1和1，那也就是隻多是0，-2，-3
// 在咱們前面的源碼中，都沒有看到有設置waitStatus的，因此每一個新的node入隊時，waitStatu都是0
// 用CAS將前驅節點的waitStatus設置爲Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
// private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
// 這個方法結束根據返回值咱們簡單分析下：
// 若是返回true, 說明前驅節點的waitStatus==-1，是正常狀況，那麼當前線程須要被掛起，等待之後被喚醒
// 咱們也說過，之後是被前驅節點喚醒，就等着前驅節點拿到鎖，而後釋放鎖的時候叫你好了
// 若是返回false, 說明當前不須要被掛起，爲何呢？日後看
// 跳回到前面是這個方法
// if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// parkAndCheckInterrupt())
// interrupted = true;
// 1. 若是shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true，
// 那麼須要執行parkAndCheckInterrupt():
// 這個方法很簡單，由於前面返回true，因此須要掛起線程，這個方法就是負責掛起線程的
// 這裏用了LockSupport.park(this)來掛起線程，而後就停在這裏了，等待被喚醒=======
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
// 2. 接下來講說若是shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的狀況
// 仔細看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，咱們能夠發現，其實第一次進來的時候，通常都不會返回true的，緣由很簡單，前驅節點的waitStatus=-1是依賴於後繼節點設置的。也就是說，我都還沒給前驅設置-1呢，怎麼多是true呢，可是要看到，這個方法是套在循環裏的，因此第二次進來的時候狀態就是-1了。
// 解釋下爲何shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的時候不直接掛起線程：
// => 是爲了應對在通過這個方法後，node已是head的直接後繼節點了。剩下的讀者本身想一想吧。
說到這裏，也就明白了，多看幾遍 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) 這個方法吧。本身推演下各個分支怎麼走，哪一種狀況下會發生什麼，走到哪裏。app
解鎖操做
最後，就是還須要介紹下喚醒的動做了。咱們知道，正常狀況下，若是線程沒獲取到鎖，線程會被 LockSupport.park(this); 掛起中止，等待被喚醒。
// 喚醒的代碼仍是比較簡單的，你若是上面加鎖的都看懂了，下面都不須要看就知道怎麼回事了
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 日後看吧
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// 回到ReentrantLock看tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否徹底釋放鎖
boolean free = false;
// 其實就是重入的問題，若是c==0，也就是說沒有嵌套鎖了，能夠釋放了，不然還不能釋放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
/**
* Wakes up node's successor, if one exists.
*
* @param node the node
*/
// 喚醒後繼節點
// 從上面調用處知道，參數node是head頭結點
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;
// 若是head節點當前waitStatus<0, 將其修改成0
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.
*/
// 下面的代碼就是喚醒後繼節點，可是有可能後繼節點取消了等待（waitStatus==1）
// 從隊尾往前找，找到waitStatus<=0的全部節點中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 從後往前找，仔細看代碼，沒必要擔憂中間有節點取消(waitStatus==1)的狀況
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 喚醒線程
LockSupport.unpark(s.thread);
}
喚醒線程之後，被喚醒的線程將從如下代碼中繼續往前走：
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 剛剛線程被掛起在這裏了
return Thread.interrupted();
}
// 又回到這個方法了：acquireQueued(final Node node, int arg)，這個時候，node的前驅是head了
好了，後面就不分析源碼了，剩下的還有問題本身去仔細看看代碼吧。
總結
總結一下吧。
在併發環境下，加鎖和解鎖須要如下三個部件的協調：
鎖狀態。咱們要知道鎖是否是被別的線程佔有了，這個就是 state 的做用，它爲 0 的時候表明沒有線程佔有鎖，能夠去爭搶這個鎖，用 CAS 將 state 設爲 1，若是 CAS 成功，說明搶到了鎖，這樣其餘線程就搶不到了，若是鎖重入的話，state進行+1 就能夠，解鎖就是減 1，直到 state 又變爲 0，表明釋放鎖，因此 lock() 和 unlock() 必需要配對啊。而後喚醒等待隊列中的第一個線程，讓其來佔有鎖。線程的阻塞和解除阻塞。AQS 中採用了 LockSupport.park(thread) 來掛起線程，用 unpark 來喚醒線程。阻塞隊列。由於爭搶鎖的線程可能不少，可是隻能有一個線程拿到鎖，其餘的線程都必須等待，這個時候就須要一個 queue 來管理這些線程，AQS 用的是一個 FIFO 的隊列，就是一個鏈表，每一個 node 都持有後繼節點的引用。AQS 採用了 CLH 鎖的變體來實現，感興趣的讀者能夠參考這篇文章關於CLH的介紹，寫得簡單明瞭。
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