前言

如果你想深入研究Java并发的话,那么AQS一定是绕不开的一块知识点,Java并发包很多的同步工具类底层都是基于AQS来实现的,比如我们工作中经常用的Lock工具ReentrantLock、栅栏CountDownLatch、信号量Semaphore等,而且关于AQS的知识点也是面试中经常考察的内容,所以,无论是为了更好的使用还是为了应付面试,深入学习AQS都很有必要。

谈Java多线程离不开的AQS,听说滴滴考了这块
CAS是乐观锁的一种思想,它假设线程对资源的访问是没有冲突的,同时所有的线程执行都不需要等待,可以持续执行。如果有冲突的话,就用比较+交换的方式来检测冲突,有冲突就不断重试。
CAS的全称是Compare-and-Swap,也就是比较并交换,它包含了三个参数:V,A,B,V表示要读写的内存位置,A表示旧的预期值,B表示新值,当执行CAS时,只有当V的值等于预期值A时,才会把V的值改为B,这样的方式可以让多个线程同时去修改,但也会因为线程操作失败而不断重试,对CPU有一定程序上的开销。
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AQS简介
本文主角正式登场。

AQS,全名AbstractQueuedSynchronizer,是一个抽象类的队列式同步器,它的内部通过维护一个状态volatile int state(共享资源),一个FIFO线程等待队列来实现同步功能。
state用关键字volatile修饰,代表着该共享资源的状态一更改就能被所有线程可见,而AQS的加锁方式本质上就是多个线程在竞争state,当state为0时代表线程可以竞争锁,不为0时代表当前对象锁已经被占有,其他线程来加锁时则会失败,加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中,这些线程会被UNSAFE.park()操作挂起,等待其他获取锁的线程释放锁才能够被唤醒。
而这个等待队列其实就相当于一个CLH队列,用一张原理图来表示大致如下:
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基础定义
AQS支持两种资源分享的方式:Exclusive(独占,只有一个线程能执行,如ReentrantLock)和Share(共享,多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch)。
自定义的同步器继承AQS后,只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可,其他如线程队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等)等操作,AQS在顶层已经实现了,
AQS代码内部提供了一系列操作锁和线程队列的方法,主要操作锁的方法包含以下几个:
compareAndSetState():利用CAS的操作来设置state的值
tryAcquire(int):独占方式获取锁。成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int):独占方式释放锁。成功则返回true,失败则返回false。
tryAcquireShared(int):共享方式释放锁。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
tryReleaseShared(int):共享方式释放锁。如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true,否则返回false。
像ReentrantLock就是实现了自定义的tryAcquire-tryRelease,从而操作state的值来实现同步效果。
除此之外,AQS内部还定义了一个静态类Node,表示CLH队列的每一个结点,该结点的作用是对每一个等待获取资源做了封装,包含了需要同步的线程本身、线程等待状态.....
我们可以看下该类的一些重点变量

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代码里面定义了一个表示当前Node结点等待状态的字段waitStatus,该字段的取值包含了CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)、0,这五个值代表了不同的特定场景:
CANCELLED:表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断(响应中断的情况下),会触发变更为此状态,进入该状态后的结点将不会再变化。
SIGNAL:表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时,会将前继结点的状态更新为SIGNAL(记住这个-1的值,因为后面我们讲的时候经常会提到)
CONDITION:表示结点等待在Condition上,当其他线程调用了Condition的signal()方法后,CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中,等待获取同步锁。(注:Condition是AQS的一个组件,后面会细说)
PROPAGATE:共享模式下,前继结点不仅会唤醒其后继结点,同时也可能会唤醒后继的后继结点。
0:新结点入队时的默认状态。
也就是说,当waitStatus为负值表示结点处于有效等待状态,为正值的时候表示结点已被取消。
在AQS内部中还维护了两个Node对象head和tail,一开始默认都为null
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讲完了AQS的一些基础定义,我们就可以开始学习同步的具体运行机制了,为了更好的演示,我们用ReentrantLock作为使用入口,一步步跟进源码探究AQS底层是如何运作的,这里说明一下,因为ReentrantLock底层调用的AQS是独占模式,所以下文讲解的AQS源码也是针对独占模式的操作
好了,热身正式结束,来吧。
独占模式
加锁过程

我们都知道,ReentrantLock的加锁和解锁方法分别为lock()和unLock(),我们先来看获取锁的方法,

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逻辑很简单,线程进来后直接利用CAS尝试抢占锁,如果抢占成功state值回被改为1,且设置对象独占锁线程为当前线程,否则就调用acquire(1)再次尝试获取锁。
我们假定有两个线程A和B同时竞争锁,A进来先抢占到锁,此时的AQS模型图就类似这样:
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继续走下面的方法,
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acquire包含了几个函数的调用,
tryAcquire:尝试直接获取锁,如果成功就直接返回;
addWaiter:将该线程加入等待队列FIFO的尾部,并标记为独占模式;
acquireQueued:线程阻塞在等待队列中获取锁,一直获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过,则返回true,否则返回false。
selfInterrupt:自我中断,就是既拿不到锁,又在等待时被中断了,线程就会进行自我中断selfInterrupt(),将中断补上。
我们一个个来看源码,并结合上面的两个线程来做场景分析。
tryAcquire
不用多说,就是为了再次尝试获取锁
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当线程B进来后,nonfairTryAcquire方法首先会获取state的值,如果为0,则正常获取该锁,不为0的话判断是否是当前线程占用了,是的话就累加state的值,这里的累加也是为了配合释放锁时候的次数,从而实现可重入锁的效果。
当然,因为之前锁已经被线程A占领了,所以这时候tryAcquire会返回false,继续下面的流程。
addWaiter
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这段代码首先会创建一个和当前线程绑定的Node节点,Node为双向链表。此时等待队列中的tail指针为空,直接调用enq(node)方法将当前线程加入等待队列尾部,然后返回当前结点的前驱结点,
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第一遍循环时,tail指针为空,初始化一个Node结点,并把head和tail结点都指向它,然后第二次循环进来之后,tail结点不为空了,就将当前的结点加入到tail结点后面,也就是这样:
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todo 如果此时有另一个线程C进来的话,发现锁已经被A拿走了,然后队列里已经有了线程B,那么线程C就只能乖乖排到线程B的后面去,
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acquireQueued
接着解读方法,通过tryAcquire()和addWaiter(),我们的线程还是没有拿到资源,并且还被排到了队列的尾部,如果让你来设计的话,这个时候你会怎么处理线程呢?其实答案也很简单,能做的事无非两个:
1、循环让线程再抢资源。但仔细一推敲就知道不合理,因为如果有多个线程都参与的话,你抢我也抢只会降低系统性能
2、进入等待状态休息,直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己,自己再拿到资源
毫无疑问,选择2更加靠谱,acquireQueued方法做的也是这样的处理:

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
// 标记是否会被中断
boolean interrupted = false;
// CAS自旋
for (;;) {
// 获取当前结点的前结点
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)
// 获取锁失败,则将此线程对应的node的waitStatus改为CANCEL
cancelAcquire(node);
}
}
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
// 前驱结点等待状态为"SIGNAL",那么自己就可以安心等待被唤醒了
return true;
if (ws > 0) {
/*

  • 前驱结点被取消了,通过循环一直往前找,直到找到等待状态有效的结点(等待状态值小于等于0) ,
  • 然后排在他们的后边,至于那些被当前Node强制"靠后"的结点,因为已经被取消了,也没有引用链,
  • 就等着被GC了
    */
    do {
    node.prev = pred = pred.prev;
    } while (pred.waitStatus > 0);
    pred.next = node;
    } else {
    // 如果前驱正常,那就把前驱的状态设置成SIGNAL
    compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
    }
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
    }

acquireQueued方法的流程是这样的:
1、CAS自旋,先判断当前传入的Node的前结点是否为head结点,是的话就尝试获取锁,获取锁成功的话就把当前结点置为head,之前的head置为null(方便GC),然后返回
2、如果前驱结点不是head或者加锁失败的话,就调用shouldParkAfterFailedAcquire,将前驱节点的waitStatus变为了SIGNAL=-1,最后执行parkAndChecknIterrupt方法,调用LockSupport.park()挂起当前线程,parkAndCheckInterrupt在挂起线程后会判断线程是否被中断,如果被中断的话,就会重新跑acquireQueued方法的CAS自旋操作,直到获取资源。
ps:LockSupport.park方法会让当前线程进入waitting状态,在这种状态下,线程被唤醒的情况有两种,一是被unpark(),二是被interrupt(),所以,如果是第二种情况的话,需要返回被中断的标志,然后在acquire顶层方法的窗口那里自我中断补上
此时,因为线程A还未释放锁,所以线程B状态都是被挂起的,
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到这里,加锁的流程就分析完了,其实整体来说也并不复杂,而且当你理解了独占模式加锁的过程,后面释放锁和共享模式的运行机制也没什么难懂的了,所以整个加锁的过程还是有必要多消化下的,也是AQS的重中之重。
为了方便你们更加清晰理解,我加多一张流程图吧(这个作者也太暖了吧,哈哈)
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释放锁
说完了加锁,我们来看看释放锁是怎么做的,AQS中释放锁的方法是release(),当调用该方法时会释放指定量的资源 (也就是锁) ,如果彻底释放了(即state=0),它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
还是一步步看源码吧,
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tryRelease
代码上可以看出,核心的逻辑都在tryRelease方法中,该方法的作用是释放资源,AQS里该方法没有具体的实现,需要由自定义的同步器去实现,我们看下ReentrantLock代码中对应方法的源码:
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tryRelease方法会减去state对应的值,如果state为0,也就是已经彻底释放资源,就返回true,并且把独占的线程置为null,否则返回false。
此时AQS中的数据就会变成这样:
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完全释放资源后,当前线程要做的就是唤醒CLH队列中第一个在等待资源的线程,也就是head结点后面的线程,此时调用的方法是unparkSuccessor(),
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方法的逻辑很简单,就是先将head的结点状态置为0,避免下面找结点的时候再找到head,然后找到队列中最前面的有效结点,然后唤醒,我们假设这个时候线程A已经释放锁,那么此时队列中排最前边竞争锁的线程B就会被唤醒。然后被唤醒的线程B就会尝试用CAS获取锁,回到acquireQueued方法的逻辑,
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当线程B获取锁之后,会把当前结点赋值给head,然后原先的前驱结点 (也就是原来的head结点) 去掉引用链,方便回收,这样一来,线程B获取锁的整个过程就完成了,此时AQS的数据就会变成这样:
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到这里,我们已经分析完了AQS独占模式下加锁和释放锁的过程,也就是tryAccquire->tryRelease这一链条的逻辑,除此之外,AQS中还支持共享模式的同步,这种模式下关于锁的操作核心其实就是tryAcquireShared->tryReleaseShared这两个方法,我们可以简单看下
共享模式
获取锁

AQS中,共享模式获取锁的顶层入口方法是acquireShared,该方法会获取指定数量的资源,成功的话就直接返回,失败的话就进入等待队列,直到获取资源,
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该方法里包含了两个方法的调用,
tryAcquireShared:尝试获取一定资源的锁,返回的值代表获取锁的状态。
doAcquireShared:进入等待队列,并循环尝试获取锁,直到成功。
tryAcquireShared
tryAcquireShared在AQS里没有实现,同样由自定义的同步器去完成具体的逻辑,像一些较为常见的并发工具Semaphore、CountDownLatch里就有对该方法的自定义实现,虽然实现的逻辑不同,但方法的作用是一样的,就是获取一定资源的资源,然后根据返回值判断是否还有剩余资源,从而决定下一步的操作。
返回值有三种定义:
负值代表获取失败;
0代表获取成功,但没有剩余的资源,也就是state已经为0;
正值代表获取成功,而且state还有剩余,其他线程可以继续领取
当返回值小于0时,证明此次获取一定数量的锁失败了,然后就会走doAcquireShared方法
doAcquireShared
此方法的作用是将当前线程加入等待队列尾部休息,直到其他线程释放资源唤醒自己,自己成功拿到相应量的资源后才返回,这是它的源码:

private void doAcquireShared(int arg) {
// 加入队列尾部
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
// CAS自旋
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// 判断前驱结点是否是head
if (p == head) {
// 尝试获取一定数量的锁
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 获取锁成功,而且还有剩余资源,就设置当前结点为head,并继续唤醒下一个线程
setHeadAndPropagate(node, r);
// 让前驱结点去掉引用链,方便被GC
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 跟独占模式一样,改前驱结点waitStatus为-1,并且当前线程挂起,等待被唤醒
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
// head指向自己
setHead(node);
// 如果还有剩余量,继续唤醒下一个邻居线程
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}

看到这里,你会不会一点熟悉的感觉,这个方法的逻辑怎么跟上面那个acquireQueued() 那么类似啊?对的,其实两个流程并没有太大的差别。只是doAcquireShared()比起独占模式下的获取锁上多了一步唤醒后继线程的操作,当获取完一定的资源后,发现还有剩余的资源,就继续唤醒下一个邻居线程,这才符合"共享"的思想嘛。
这里我们可以提出一个疑问,共享模式下,当前线程释放了一定数量的资源,但这部分资源满足不了下一个等待结点的需要的话,那么会怎么样?
按照正常的思维,共享模式是可以多个线程同时执行的才对,所以,多个线程的情况下,如果老大释放完资源,但这部分资源满足不了老二,但能满足老三,那么老三就可以拿到资源。可事实是,从源码设计中可以看出,如果真的发生了这种情况,老三是拿不到资源的,因为等待队列是按顺序排列的,老二的资源需求量大,会把后面量小的老三以及老四、老五等都给卡住。从这一个角度来看,虽然AQS严格保证了顺序,但也降低了并发能力
接着往下说吧,唤醒下一个邻居线程的逻辑在doReleaseShared()中,我们放到下面的释放锁来解析。
释放锁
共享模式释放锁的顶层方法是releaseShared,它会释放指定量的资源,如果成功释放且允许唤醒等待线程,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码:
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该方法同样包含两部分的逻辑:
tryReleaseShared:释放资源。
doAcquireShared:唤醒后继结点。
跟tryAcquireShared方法一样,tryReleaseShared在AQS中没有具体的实现,由子同步器自己去定义,但功能都一样,就是释放一定数量的资源。
释放完资源后,线程不会马上就收工,而是唤醒等待队列里最前排的等待结点。
doAcquireShared
唤醒后继结点的工作在doReleaseShared()方法中完成,我们可以看下它的源码:
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代码没什么特别的,就是如果等待队列head结点的waitStatus为-1的话,就直接唤醒后继结点,唤醒的方法unparkSuccessor()在上面已经讲过了,这里也没必要再复述。
总的来看,AQS共享模式的运作流程和独占模式很相似,只要掌握了独占模式的流程运转,共享模式什么的不就那样吗,没难度。这也是我为什么共享模式讲解中不画流程图的原因,没必要嘛。

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Condition
介绍完了AQS的核心功能,我们再扩展一个知识点,在AQS中,除了提供独占/共享模式的加锁/解锁功能,它还对外提供了关于Condition的一些操作方法。
Condition是个接口,在jdk1.5版本后设计的,基本的方法就是await()和signal()方法,功能大概就对应Object的wait()和notify(),Condition必须要配合锁一起使用,因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定,因此Condition一般都是作为Lock的内部实现 ,AQS中就定义了一个类ConditionObject来实现了这个接口,
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那么它应该怎么用呢?我们可以简单写个demo来看下效果
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执行main函数后结果输出为
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代码执行的结果很容易理解,线程A先获取锁,然后调用await()方法挂起当前线程并释放锁,线程B这时候拿到锁,然后调用signal唤醒线程A。
毫无疑问,这两个方法让线程的状态发生了变化,我们仔细来研究一下,
翻看AQS的源码,我们会发现Condition中定义了两个属性firstWaiter和lastWaiter,前面说了,AQS中包含了一个FIFO的CLH等待队列,每个Conditon对象就包含这样一个等待队列,而这两个属性分别表示的是等待队列中的首尾结点,
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注意:Condition当中的等待队列和AQS主体的同步等待队列是分开的,两个队列虽然结构体相同,但是作用域是分开的
await
先看await()的源码:
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当一个线程调用Condition.await()方法,将会以当前线程构造结点,这个结点的waitStatus赋值为Node.CONDITION,也就是-2,并将结点从尾部加入等待队列,然后尾部结点就会指向这个新增的结点,
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我们依然用上面的demo来演示,此时,线程A获取锁并调用Condition.await()方法后,AQS内部的数据结构会变成这样
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在Condition队列中插入对应的结点后,线程A会释放所持有的资源,走到while循环那层逻辑,
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isOnSyncQueue方法的会判断当前的线程节点是不是在同步队列中,这个时候此结点还在Condition队列中,所以该方法返回false,这样的话循环会一直持续下去,线程被挂起,等待被唤醒,此时,线程A的流程暂时停止了。
当线程A调用await()方法挂起的时候,线程B获取到了线程A释放的资源,然后执行signal()方法:
signal
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先判断当前线程是否为获取锁的线程,如果不是则直接抛出异常。接着调用doSignal()方法来唤醒线程。
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从doSignal的代码中可以看出,这时候程序寻找的是Condition等待队列中首结点firstWaiter的结点,此时该结点指向的是线程A的结点,所以之后的流程作用的都是线程A的结点。
这里分析下transferForSignal方法,先通过CAS自旋将结点waitStatus改为0,然后就把结点放入到同步队列 (此队列不是Condition的等待队列) 中,然后再用CAS将同步队列中该结点的前驱结点waitStatus改为Node.SIGNAL,也就是-1,此时AQS的数据结构大概如下(额.....少画了个箭头,大家就当head结点是线程A结点的前驱结点就好):
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回到await()方法,当线程A的结点被加入同步队列中时,isOnSyncQueue()会返回true,跳出循环,
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接着执行acquireQueued()方法,这里就不用多说了吧,尝试重新获取锁,如果获取锁失败继续会被挂起,直到另外线程释放锁才被唤醒。
所以,当线程B释放完锁后,线程A被唤醒,继续尝试获取锁,至此流程结束。
对于这整个通信过程,我们可以画一张流程图展示下:
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**总结

说完了Condition的使用和底层运行机制,我们再来总结下它跟普通 wait/notify 的比较,一般这也是问的比较多的,Condition大概有以下两点优势:
Condition 需要结合 Lock 进行控制,使用的时候要注意一定要对应的unlock(),可以对多个不同条件进行控制,只要new 多个 Condition对象就可以为多个线程控制通信,wait/notify 只能和 synchronized 关键字一起使用,并且只能唤醒一个或者全部的等待队列;
Condition 有类似于 await 的机制,因此不会产生加锁方式而产生的死锁出现,同时底层实现的是 park/unpark 的机制,因此也不会产生先唤醒再挂起的死锁,一句话就是不会产生死锁,但是 wait/notify 会产生先唤醒再挂起的死锁。**

最后
对AQS的源码分析到这里就全部结束了,虽然还有很多知识点没讲解,比如公平锁/非公平锁下AQS是怎么作用的,篇幅所限,部分知识点没有扩展还请见谅,尽管如此,如果您能看完文章的话,相信对AQS也算是有足够的了解了。
回顾本篇文章,我们不难发现,无论是独占还是共享模式,或者结合是Condition工具使用,AQS本质上的同步功能都是通过对锁和队列中结点的操作来实现的,从设计上讲,AQS的组成结构并不算复杂,底层的运转机制也不会很绕,所以,大家如果看源码的时候觉得有些困难的话也不用灰心,多看几遍,顺便画个图之类的,理清下流程还是没什么问题的。