談Java多線程離不開的AQS，據說滴滴考了這塊

前言

若是你想深刻研究Java併發的話，那麼AQS必定是繞不開的一塊知識點，Java併發包不少的同步工具類底層都是基於AQS來實現的，好比咱們工做中常常用的Lock工具ReentrantLock、柵欄CountDownLatch、信號量Semaphore等，並且關於AQS的知識點也是面試中常常考察的內容，因此，不管是爲了更好的使用仍是爲了應付面試，深刻學習AQS都頗有必要。

CAS是樂觀鎖的一種思想，它假設線程對資源的訪問是沒有衝突的，同時全部的線程執行都不須要等待，能夠持續執行。若是有衝突的話，就用比較+交換的方式來檢測衝突，有衝突就不斷重試。
CAS的全稱是Compare-and-Swap，也就是比較並交換，它包含了三個參數：V，A，B，V表示要讀寫的內存位置，A表示舊的預期值，B表示新值，當執行CAS時，只有當V的值等於預期值A時，纔會把V的值改成B，這樣的方式可讓多個線程同時去修改，但也會由於線程操做失敗而不斷重試，對CPU有必定程序上的開銷。

AQS簡介
本文主角正式登場。
AQS，全名AbstractQueuedSynchronizer，是一個抽象類的隊列式同步器，它的內部經過維護一個狀態volatile int state(共享資源)，一個FIFO線程等待隊列來實現同步功能。
state用關鍵字volatile修飾，表明着該共享資源的狀態一更改就能被全部線程可見，而AQS的加鎖方式本質上就是多個線程在競爭state，當state爲0時表明線程能夠競爭鎖，不爲0時表明當前對象鎖已經被佔有，其餘線程來加鎖時則會失敗，加鎖失敗的線程會被放入一個FIFO的等待隊列中，這些線程會被UNSAFE.park()操做掛起，等待其餘獲取鎖的線程釋放鎖纔可以被喚醒。
而這個等待隊列其實就至關於一個CLH隊列，用一張原理圖來表示大體以下：

基礎定義
AQS支持兩種資源分享的方式：Exclusive（獨佔，只有一個線程能執行，如ReentrantLock）和Share（共享，多個線程可同時執行，如Semaphore/CountDownLatch）。
自定義的同步器繼承AQS後，只須要實現共享資源state的獲取和釋放方式便可，其餘如線程隊列的維護（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等）等操做，AQS在頂層已經實現了，
AQS代碼內部提供了一系列操做鎖和線程隊列的方法，主要操做鎖的方法包含如下幾個：
compareAndSetState()：利用CAS的操做來設置state的值
tryAcquire(int)：獨佔方式獲取鎖。成功則返回true，失敗則返回false。
tryRelease(int)：獨佔方式釋放鎖。成功則返回true，失敗則返回false。
tryAcquireShared(int)：共享方式釋放鎖。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源。
tryReleaseShared(int)：共享方式釋放鎖。若是釋放後容許喚醒後續等待結點返回true，不然返回false。
像ReentrantLock就是實現了自定義的tryAcquire-tryRelease，從而操做state的值來實現同步效果。
除此以外，AQS內部還定義了一個靜態類Node，表示CLH隊列的每個結點，該結點的做用是對每個等待獲取資源作了封裝，包含了須要同步的線程自己、線程等待狀態.....
咱們能夠看下該類的一些重點變量

代碼裏面定義了一個表示當前Node結點等待狀態的字段waitStatus，該字段的取值包含了CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)、0，這五個值表明了不一樣的特定場景：
CANCELLED：表示當前結點已取消調度。當timeout或被中斷（響應中斷的狀況下），會觸發變動爲此狀態，進入該狀態後的結點將不會再變化。
SIGNAL：表示後繼結點在等待當前結點喚醒。後繼結點入隊時，會將前繼結點的狀態更新爲SIGNAL（記住這個-1的值，由於後面咱們講的時候常常會提到）
CONDITION：表示結點等待在Condition上，當其餘線程調用了Condition的signal()方法後，CONDITION狀態的結點將從等待隊列轉移到同步隊列中，等待獲取同步鎖。(注：Condition是AQS的一個組件，後面會細說)
PROPAGATE：共享模式下，前繼結點不只會喚醒其後繼結點，同時也可能會喚醒後繼的後繼結點。
0：新結點入隊時的默認狀態。
也就是說，當waitStatus爲負值表示結點處於有效等待狀態，爲正值的時候表示結點已被取消。
在AQS內部中還維護了兩個Node對象head和tail，一開始默認都爲null

講完了AQS的一些基礎定義，咱們就能夠開始學習同步的具體運行機制了，爲了更好的演示，咱們用ReentrantLock做爲使用入口，一步步跟進源碼探究AQS底層是如何運做的，這裏說明一下，由於ReentrantLock底層調用的AQS是獨佔模式，因此下文講解的AQS源碼也是針對獨佔模式的操做
好了，熱身正式結束，來吧。
獨佔模式
加鎖過程
咱們都知道，ReentrantLock的加鎖和解鎖方法分別爲lock()和unLock()，咱們先來看獲取鎖的方法，

邏輯很簡單，線程進來後直接利用CAS嘗試搶佔鎖，若是搶佔成功state值回被改成1，且設置對象獨佔鎖線程爲當前線程，不然就調用acquire(1)再次嘗試獲取鎖。
咱們假定有兩個線程A和B同時競爭鎖，A進來先搶佔到鎖，此時的AQS模型圖就相似這樣：

繼續走下面的方法，

acquire包含了幾個函數的調用，
tryAcquire：嘗試直接獲取鎖，若是成功就直接返回；
addWaiter：將該線程加入等待隊列FIFO的尾部，並標記爲獨佔模式；
acquireQueued：線程阻塞在等待隊列中獲取鎖，一直獲取到資源後才返回。若是在整個等待過程當中被中斷過，則返回true，不然返回false。
selfInterrupt：自我中斷，就是既拿不到鎖，又在等待時被中斷了，線程就會進行自我中斷selfInterrupt()，將中斷補上。
咱們一個個來看源碼，並結合上面的兩個線程來作場景分析。
tryAcquire
不用多說，就是爲了再次嘗試獲取鎖

當線程B進來後，nonfairTryAcquire方法首先會獲取state的值，若是爲0，則正常獲取該鎖，不爲0的話判斷是不是當前線程佔用了，是的話就累加state的值，這裏的累加也是爲了配合釋放鎖時候的次數，從而實現可重入鎖的效果。
固然，由於以前鎖已經被線程A佔領了，因此這時候tryAcquire會返回false，繼續下面的流程。
addWaiter

這段代碼首先會建立一個和當前線程綁定的Node節點，Node爲雙向鏈表。此時等待隊列中的tail指針爲空，直接調用enq(node)方法將當前線程加入等待隊列尾部，而後返回當前結點的前驅結點，

第一遍循環時，tail指針爲空，初始化一個Node結點，並把head和tail結點都指向它，而後第二次循環進來以後，tail結點不爲空了，就將當前的結點加入到tail結點後面，也就是這樣：

todo 若是此時有另外一個線程C進來的話，發現鎖已經被A拿走了，而後隊列裏已經有了線程B，那麼線程C就只能乖乖排到線程B的後面去，

acquireQueued
接着解讀方法，經過tryAcquire()和addWaiter()，咱們的線程仍是沒有拿到資源，而且還被排到了隊列的尾部，若是讓你來設計的話，這個時候你會怎麼處理線程呢？其實答案也很簡單，能作的事無非兩個：
一、循環讓線程再搶資源。但仔細一推敲就知道不合理，由於若是有多個線程都參與的話，你搶我也搶只會下降系統性能
二、進入等待狀態休息，直到其餘線程完全釋放資源後喚醒本身，本身再拿到資源
毫無疑問，選擇2更加靠譜，acquireQueued方法作的也是這樣的處理：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 標記是否會被中斷
boolean interrupted = false;
// CAS自旋
for (;;) {
// 獲取當前結點的前結點
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)
// 獲取鎖失敗，則將此線程對應的node的waitStatus改成CANCEL
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 前驅結點等待狀態爲"SIGNAL"，那麼本身就能夠安心等待被喚醒了
return true;
if (ws > 0) {
/*

• 前驅結點被取消了，經過循環一直往前找，直到找到等待狀態有效的結點(等待狀態值小於等於0) ，
• 而後排在他們的後邊，至於那些被當前Node強制"靠後"的結點，由於已經被取消了，也沒有引用鏈，
• 就等着被GC了
  */
  do {
  node.prev = pred = pred.prev;
  } while (pred.waitStatus > 0);
  pred.next = node;
  } else {
  // 若是前驅正常，那就把前驅的狀態設置成SIGNAL
  compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
  }
  return false;
  }
  private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
  LockSupport.park(this);
  return Thread.interrupted();
  }

acquireQueued方法的流程是這樣的：
一、CAS自旋，先判斷當前傳入的Node的前結點是否爲head結點，是的話就嘗試獲取鎖，獲取鎖成功的話就把當前結點置爲head，以前的head置爲null(方便GC)，而後返回
二、若是前驅結點不是head或者加鎖失敗的話，就調用shouldParkAfterFailedAcquire，將前驅節點的waitStatus變爲了SIGNAL=-1，最後執行parkAndChecknIterrupt方法，調用LockSupport.park()掛起當前線程，parkAndCheckInterrupt在掛起線程後會判斷線程是否被中斷，若是被中斷的話，就會從新跑acquireQueued方法的CAS自旋操做，直到獲取資源。
ps：LockSupport.park方法會讓當前線程進入waitting狀態，在這種狀態下，線程被喚醒的狀況有兩種，一是被unpark()，二是被interrupt()，因此，若是是第二種狀況的話，須要返回被中斷的標誌，而後在acquire頂層方法的窗口那裏自我中斷補上
此時，由於線程A還未釋放鎖，因此線程B狀態都是被掛起的，

到這裏，加鎖的流程就分析完了，其實總體來講也並不複雜，並且當你理解了獨佔模式加鎖的過程，後面釋放鎖和共享模式的運行機制也沒什麼難懂的了，因此整個加鎖的過程仍是有必要多消化下的，也是AQS的重中之重。
爲了方便大家更加清晰理解，我加多一張流程圖吧（這個做者也太暖了吧，哈哈）

釋放鎖
說完了加鎖，咱們來看看釋放鎖是怎麼作的，AQS中釋放鎖的方法是release()，當調用該方法時會釋放指定量的資源 (也就是鎖) ，若是完全釋放了（即state=0）,它會喚醒等待隊列裏的其餘線程來獲取資源。
仍是一步步看源碼吧，

tryRelease
代碼上能夠看出，核心的邏輯都在tryRelease方法中，該方法的做用是釋放資源，AQS裏該方法沒有具體的實現，須要由自定義的同步器去實現，咱們看下ReentrantLock代碼中對應方法的源碼：

tryRelease方法會減去state對應的值，若是state爲0，也就是已經完全釋放資源，就返回true，而且把獨佔的線程置爲null，不然返回false。
此時AQS中的數據就會變成這樣：

徹底釋放資源後，當前線程要作的就是喚醒CLH隊列中第一個在等待資源的線程，也就是head結點後面的線程，此時調用的方法是unparkSuccessor()，

方法的邏輯很簡單，就是先將head的結點狀態置爲0，避免下面找結點的時候再找到head，而後找到隊列中最前面的有效結點，而後喚醒，咱們假設這個時候線程A已經釋放鎖，那麼此時隊列中排最前邊競爭鎖的線程B就會被喚醒。而後被喚醒的線程B就會嘗試用CAS獲取鎖，回到acquireQueued方法的邏輯，

當線程B獲取鎖以後，會把當前結點賦值給head，而後原先的前驅結點 (也就是原來的head結點) 去掉引用鏈，方便回收，這樣一來，線程B獲取鎖的整個過程就完成了，此時AQS的數據就會變成這樣：

到這裏，咱們已經分析完了AQS獨佔模式下加鎖和釋放鎖的過程，也就是tryAccquire->tryRelease這一鏈條的邏輯，除此以外，AQS中還支持共享模式的同步，這種模式下關於鎖的操做核心其實就是tryAcquireShared->tryReleaseShared這兩個方法，咱們能夠簡單看下
共享模式
獲取鎖
AQS中，共享模式獲取鎖的頂層入口方法是acquireShared，該方法會獲取指定數量的資源，成功的話就直接返回，失敗的話就進入等待隊列，直到獲取資源，

該方法裏包含了兩個方法的調用，
tryAcquireShared：嘗試獲取必定資源的鎖，返回的值表明獲取鎖的狀態。
doAcquireShared：進入等待隊列，並循環嘗試獲取鎖，直到成功。
tryAcquireShared
tryAcquireShared在AQS裏沒有實現，一樣由自定義的同步器去完成具體的邏輯，像一些較爲常見的併發工具Semaphore、CountDownLatch裏就有對該方法的自定義實現，雖然實現的邏輯不一樣，但方法的做用是同樣的，就是獲取必定資源的資源，而後根據返回值判斷是否還有剩餘資源，從而決定下一步的操做。
返回值有三種定義：
負值表明獲取失敗；
0表明獲取成功，但沒有剩餘的資源，也就是state已經爲0；
正值表明獲取成功，並且state還有剩餘，其餘線程能夠繼續領取
當返回值小於0時，證實這次獲取必定數量的鎖失敗了，而後就會走doAcquireShared方法
doAcquireShared
此方法的做用是將當前線程加入等待隊列尾部休息，直到其餘線程釋放資源喚醒本身，本身成功拿到相應量的資源後才返回，這是它的源碼：

private void doAcquireShared(int arg) {
// 加入隊列尾部
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
// CAS自旋
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// 判斷前驅結點是不是head
if (p == head) {
// 嘗試獲取必定數量的鎖
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 獲取鎖成功，並且還有剩餘資源，就設置當前結點爲head，並繼續喚醒下一個線程
setHeadAndPropagate(node, r);
// 讓前驅結點去掉引用鏈，方便被GC
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 跟獨佔模式同樣，改前驅結點waitStatus爲-1，而且當前線程掛起，等待被喚醒
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
// head指向本身
setHead(node);
// 若是還有剩餘量，繼續喚醒下一個鄰居線程
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}

看到這裏，你會不會一點熟悉的感受，這個方法的邏輯怎麼跟上面那個acquireQueued() 那麼相似啊？對的，其實兩個流程並無太大的差異。只是doAcquireShared()比起獨佔模式下的獲取鎖上多了一步喚醒後繼線程的操做，當獲取完必定的資源後，發現還有剩餘的資源，就繼續喚醒下一個鄰居線程，這才符合"共享"的思想嘛。
這裏咱們能夠提出一個疑問，共享模式下，當前線程釋放了必定數量的資源，但這部分資源知足不了下一個等待結點的須要的話，那麼會怎麼樣？
按照正常的思惟，共享模式是能夠多個線程同時執行的纔對，因此，多個線程的狀況下，若是老大釋放完資源，但這部分資源知足不了老二，但能知足老三，那麼老三就能夠拿到資源。可事實是，從源碼設計中能夠看出，若是真的發生了這種狀況，老三是拿不到資源的，由於等待隊列是按順序排列的，老二的資源需求量大，會把後面量小的老三以及老4、老五等都給卡住。從這一個角度來看，雖然AQS嚴格保證了順序，但也下降了併發能力
接着往下說吧，喚醒下一個鄰居線程的邏輯在doReleaseShared()中，咱們放到下面的釋放鎖來解析。
釋放鎖
共享模式釋放鎖的頂層方法是releaseShared，它會釋放指定量的資源，若是成功釋放且容許喚醒等待線程，它會喚醒等待隊列裏的其餘線程來獲取資源。下面是releaseShared()的源碼：

該方法一樣包含兩部分的邏輯：
tryReleaseShared：釋放資源。
doAcquireShared：喚醒後繼結點。
跟tryAcquireShared方法同樣，tryReleaseShared在AQS中沒有具體的實現，由子同步器本身去定義，但功能都同樣，就是釋放必定數量的資源。
釋放完資源後，線程不會立刻就收工，而是喚醒等待隊列裏最前排的等待結點。
doAcquireShared
喚醒後繼結點的工做在doReleaseShared()方法中完成，咱們能夠看下它的源碼：

代碼沒什麼特別的，就是若是等待隊列head結點的waitStatus爲-1的話，就直接喚醒後繼結點，喚醒的方法unparkSuccessor()在上面已經講過了，這裏也不必再複述。
總的來看，AQS共享模式的運做流程和獨佔模式很類似，只要掌握了獨佔模式的流程運轉，共享模式什麼的不就那樣嗎，沒難度。這也是我爲何共享模式講解中不畫流程圖的緣由，不必嘛。

Condition
介紹完了AQS的核心功能，咱們再擴展一個知識點，在AQS中，除了提供獨佔/共享模式的加鎖/解鎖功能，它還對外提供了關於Condition的一些操做方法。
Condition是個接口，在jdk1.5版本後設計的，基本的方法就是await()和signal()方法，功能大概就對應Object的wait()和notify()，Condition必需要配合鎖一塊兒使用，由於對共享狀態變量的訪問發生在多線程環境下。一個Condition的實例必須與一個Lock綁定，所以Condition通常都是做爲Lock的內部實現 ，AQS中就定義了一個類ConditionObject來實現了這個接口，

那麼它應該怎麼用呢？咱們能夠簡單寫個demo來看下效果

執行main函數後結果輸出爲

代碼執行的結果很容易理解，線程A先獲取鎖，而後調用await()方法掛起當前線程並釋放鎖，線程B這時候拿到鎖，而後調用signal喚醒線程A。
毫無疑問，這兩個方法讓線程的狀態發生了變化，咱們仔細來研究一下，
翻看AQS的源碼，咱們會發現Condition中定義了兩個屬性firstWaiter和lastWaiter，前面說了，AQS中包含了一個FIFO的CLH等待隊列，每一個Conditon對象就包含這樣一個等待隊列，而這兩個屬性分別表示的是等待隊列中的首尾結點，

注意：Condition當中的等待隊列和AQS主體的同步等待隊列是分開的，兩個隊列雖然結構體相同，可是做用域是分開的
await
先看await()的源碼：

當一個線程調用Condition.await()方法，將會以當前線程構造結點，這個結點的waitStatus賦值爲Node.CONDITION，也就是-2，並將結點從尾部加入等待隊列，而後尾部結點就會指向這個新增的結點，

咱們依然用上面的demo來演示，此時，線程A獲取鎖並調用Condition.await()方法後，AQS內部的數據結構會變成這樣

在Condition隊列中插入對應的結點後，線程A會釋放所持有的資源，走到while循環那層邏輯，

isOnSyncQueue方法的會判斷當前的線程節點是否是在同步隊列中，這個時候此結點還在Condition隊列中，因此該方法返回false，這樣的話循環會一直持續下去，線程被掛起，等待被喚醒，此時，線程A的流程暫時中止了。
當線程A調用await()方法掛起的時候，線程B獲取到了線程A釋放的資源，而後執行signal()方法：
signal

先判斷當前線程是否爲獲取鎖的線程，若是不是則直接拋出異常。接着調用doSignal()方法來喚醒線程。

從doSignal的代碼中能夠看出，這時候程序尋找的是Condition等待隊列中首結點firstWaiter的結點，此時該結點指向的是線程A的結點，因此以後的流程做用的都是線程A的結點。
這裏分析下transferForSignal方法，先經過CAS自旋將結點waitStatus改成0，而後就把結點放入到同步隊列 (此隊列不是Condition的等待隊列) 中，而後再用CAS將同步隊列中該結點的前驅結點waitStatus改成Node.SIGNAL，也就是-1，此時AQS的數據結構大概以下(額.....少畫了個箭頭，你們就當head結點是線程A結點的前驅結點就好)：

回到await()方法，當線程A的結點被加入同步隊列中時，isOnSyncQueue()會返回true，跳出循環，

接着執行acquireQueued()方法，這裏就不用多說了吧，嘗試從新獲取鎖，若是獲取鎖失敗繼續會被掛起，直到另外線程釋放鎖才被喚醒。
因此，當線程B釋放完鎖後，線程A被喚醒，繼續嘗試獲取鎖，至此流程結束。
對於這整個通訊過程，咱們能夠畫一張流程圖展現下：

**總結

說完了Condition的使用和底層運行機制，咱們再來總結下它跟普通 wait/notify 的比較，通常這也是問的比較多的，Condition大概有如下兩點優點：
Condition 須要結合 Lock 進行控制，使用的時候要注意必定要對應的unlock()，能夠對多個不一樣條件進行控制，只要new 多個 Condition對象就能夠爲多個線程控制通訊，wait/notify 只能和 synchronized 關鍵字一塊兒使用，而且只能喚醒一個或者所有的等待隊列；
Condition 有相似於 await 的機制，所以不會產生加鎖方式而產生的死鎖出現，同時底層實現的是 park/unpark 的機制，所以也不會產生先喚醒再掛起的死鎖，一句話就是不會產生死鎖，可是 wait/notify 會產生先喚醒再掛起的死鎖。**

最後對AQS的源碼分析到這裏就所有結束了，雖然還有不少知識點沒講解，好比公平鎖/非公平鎖下AQS是怎麼做用的，篇幅所限，部分知識點沒有擴展還請見諒，儘管如此，若是您能看完文章的話，相信對AQS也算是有足夠的瞭解了。回顧本篇文章，咱們不難發現，不管是獨佔仍是共享模式，或者結合是Condition工具使用，AQS本質上的同步功能都是經過對鎖和隊列中結點的操做來實現的，從設計上講，AQS的組成結構並不算複雜，底層的運起色制也不會很繞，因此，你們若是看源碼的時候以爲有些困難的話也不用灰心，多看幾遍，順便畫個圖之類的，理清下流程仍是沒什麼問題的。