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一、前言

何为共享锁？共享锁就是多个线程可以共享一把锁，如​​ReentrantReadWriteLock​​​的​​ReadLock​​​是共享锁，​​Semaphore​​​是共享锁，​​CountDownLatch​​​是共享锁，且这三个都是基于​​AQS​​实现的。

在AQS中共享锁和独占锁一样，也实现了一套通用的模板，子类只需要实现如何获取锁（​​tryAcquireShared​​​），如何释放锁（​​tryReleaseShared​​）的逻辑。

二、共享模式获取锁

共享模式获取锁的过程和独占锁非常类似，都是先获取锁，失败之后进入同步队列操作。​​tryAcquireShared​​​在AQS中没有给出具体实现，在子类​​ReentrantReadWriteLock.ReadLock​​​、​​Semaphore​​​和​​CountDownLatch​​中相应实现了获取共享锁的逻辑。

​​tryAcquireShared​​​返回值小于0，表示获取共享锁失败，从而进入同步队列操作​​doAcquireShared​​。

public final void acquireShared(int arg) {
    //tryAcquireShared 返回-1获取锁失败，返回值大于1或者0获取锁成功
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //获取锁失败，进入队列操作
        doAcquireShared(arg);
}

1、doAcquireShared入队列，自旋，阻塞

​​doAcquireShared​​​的逻辑和​​独占锁​​​​acquireQueued​​非常类似，入队列、自旋、阻塞等。基本流程如下：


  2. 新建共享节点node，并入队列（​​addWaiter(Node.SHARED)​​）。
  3. 自旋判断新节点node前驱是否是head，是则获取锁（​​tryAcquireShared​​​），获取锁成功并传播唤醒后继（​​setHeadAndPropagate​​）。
  4. 新节点node前驱不是head，则判断是否应该阻塞​​shouldParkAfterFailedAcquire​​。
  5. 判断应该阻塞，则阻塞当前线程​​parkAndCheckInterrupt​​。
  6. 被其他线程唤醒，或中断导致唤醒，则自旋重复2、3、4、5。

private void doAcquireShared(int arg) {
    //创建一个读节点，并入队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                //如果前继节点是head，则尝试获取锁
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    //获取锁成功，设置新head和共享传播（唤醒下一个共享节点）
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            /**
             * p不是头结点 or 获取锁失败，判断是否应该被阻塞
             * 前继节点的ws = SIGNAL 时应该被阻塞
             */
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

（1）setHeadAndPropagate传播唤醒后继

自旋判断新节点node前驱是head，且尝试获取共享锁成功，则需要传播唤醒共享后继节点。基本流程如下：


  2. node出队列，并成为新的head。
  3. 判断是否满足传播条件。
  4. 如若node还有后继且后继是共享节点，则执行唤醒操作​​doReleaseShared​​。

（共享锁的传播模式比较复杂，如需深入了解，请阅读拙作​​《AQS源码解读（七）——从PROPAGATE和setHeadAndPropagate()分析共享锁的传播性》​​）

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head; // Record old head for check below
    //设置node为新head
    setHead(node);
    //一连串判断满足后，唤醒共享后继
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        //唤醒后继共享节点
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

（2）判断是否应该阻塞和阻塞线程

共享锁判断判断是否应该阻塞和阻塞线程的代码和​​独占锁​​​的完全一样，不过多赘述。​​shouldParkAfterFailedAcquire​​主要做了如下几步：


  2. 判断node前驱状态是否为​​SIGNAL​​，是则直接返回true。
  3. node前驱状态不是​​SIGNAL​​​，有可能是​​ws>0​​，说明前驱取消了，自旋跳过取消的节点，并寻找链接一个正常的前驱。
  4. node前驱状态不是​​SIGNAL​​​，有可能是0（初始化状态）或​​PROPAGATE​​​（传播状态），修改node前驱状态为​​SIGNAL​​。

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.
         * node拿锁失败，前继节点的状态是SIGNAL，node节点可以放心的阻塞，
         * 因为下次会被唤醒
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         * pred节点被取消了，跳过pred
         */
        do {
            //pred = pred.prev;
            //node.pred = pred;
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        //跳过取消节点，给node找一个正常的前驱,然后再循环一次
        pred.next = node;
    } else {
        /* 0 -3
         * 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;
}

​​shouldParkAfterFailedAcquire​​​判断返回true，则调用​​parkAndCheckInterrupt​​阻塞当前线程。

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

三、共享模式可中断获取锁

​​acquireSharedInterruptibly​​​在代码结构上与​​doAcquireShared​​​类似，不同之处在于​​doAcquireShared​​​不响应中断，​​acquireSharedInterruptibly​​响应中断。

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        //被打断 抛出异常
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //获取锁失败
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

doAcquireSharedInterruptibly入队列，自旋，阻塞，响应中断

​​doAcquireSharedInterruptibly​​​逻辑上也和​​doAcquireShared​​​类似，但是​​doAcquireSharedInterruptibly​​​在线程阻塞期间，被中断导致唤醒，将抛出异常​​InterruptedException​​​，响应中断，此时​​failed=true​​​，​​finally​​​块中会执行取消节点的操作，取消过程和​​独占锁​​一样。

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    //新建节点入队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            //node节点的前驱节点是head，获取锁
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                //在阻塞期间因为中断而唤醒，抛异常
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

四、共享模式可超时获取锁

和​​独占锁​​​的可超时获取锁类似，共享模式超时获取锁，不仅可以响应中断，还可以将线程阻塞一段时间，自动唤醒。​​tryAcquireSharedNanos​​​可传入一个纳秒单位的时间​​nanosTimeout​​​，可超时的逻辑在​​doAcquireSharedNanos​​中。

public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
        doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

doAcquireSharedNanos入队列，自旋，阻塞，自动唤醒，响应中断

​​doAcquireSharedNanos​​​和​​doAcquireShared​​逻辑类似，但是不仅可以响应中断，同时还可以让线程阻塞一段时间自动唤醒，如果超时了还没获取锁则返回false。

​​doAcquireSharedNanos​​​还有一个非常不同之处，就是即使​​shouldParkAfterFailedAcquire​​​判断应该阻塞了，也有可能不阻塞，还会再自旋一段时间，这个自旋的时长有一个阈值​​spinForTimeoutThreshold = 1000L​​，1000纳秒，自旋了1000纳秒后还没有获取锁，且此时也判断应该阻塞了，就让线程休眠一段时间。

线程唤醒，有可能是自动唤醒，有可能是被其他释放锁的线程唤醒，还有可能是线程中断导致唤醒，如果是线程中断唤醒，则需要响应中断，抛出异常​​InterruptedException​​；如果没有中断，则继续循环刚才的流程（判断前驱是否是head，判断是否超时，判断是否需要阻塞等）。

private boolean doAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return true;
                }
            }
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            //判断是否应该阻塞
            //在阈值spinForTimeoutThreshold范围自旋一定时长，
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                //阻塞一定时间，时间到可自动唤醒
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if (Thread.interrupted())
                //线程如若发生中断，响应中断抛出异常
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

五、共享模式释放锁

共享模式释放锁的逻辑很简单，​​tryReleaseShared​​​释放锁成功后，调用​​doReleaseShared​​​唤醒后继节点。​​tryReleaseShared​​需要子类自行实现。

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        //读锁释放才唤醒后继节点
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

doReleaseShared唤醒后继

共享锁释放和在AQS同步队列中的共享节点获取锁，传播唤醒时都调用了​​doReleaseShared​​​，其唤醒后继是一个自旋的过程（​​for(;;)​​），其基本流程如下：


  2. 获取head，判断队列是否为空。
  3. 不为空，则继续判断head的状态是否是​​SIGNAL​​，即是否可以唤醒后继。
  4. head的状态为​​SIGNAL​​​，则将状态置为0。head状态置为0成功，则唤醒后节点线程​​unparkSuccessor​​，失败则自旋重试。
  5. 若head状态为0，则将其置为​​PROPAGATE​​，使得head具有传播唤醒的特性。
  6. 如若自旋的过程中head变了，则继续自旋唤醒后继，head没有变，跳出自旋。

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                //SIGNAL --> 0
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                //唤醒后继节点的线程
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                    //0 --> PROPAGATE
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        /**
         * we must loop in case a new node is added
         * while we are doing this
         */
        if (h == head)                   // loop if head changed
            //head没有变则break
            break;
    }
}

六、总结


  • 共享锁的模板方法和​​独占锁​​代码结构上非常相似，判断是否应该阻塞，阻塞线程，取消节点代码通用。
  • 共享锁通用模板已经搭好，子类只需要实现如何获取锁（​​tryAcquireShared​​​），如何释放锁（​​tryReleaseShared​​）的逻辑。
  • 共享锁的共享体现在可以多个线程共享一把锁，通过传播模式，传播唤醒后继共享节点。传播性在共享锁获取和释放都有体现。

注意：共享锁的传播性，较为复杂，单独撰写一篇文章详细讲解，如需了解，请移步​​《AQS源码解读（六）——从PROPAGATE和setHeadAndPropagate()分析共享锁的传播性》​​。

因为共享锁的源码和独占锁的源码有重复部分，这里没有过多赘述，如需了解，请移步​​《AQS源码解读（二）——从acquireQueued探索独占锁实现原理，如何阻塞？如何唤醒？》​​

PS: ​如若文章中有错误理解，欢迎批评指正，同时非常期待你的评论、点赞和收藏。我是徐同学，愿与你共同进步！​

AQS源码解读（五）——从acquireShared探索共享锁实现原理，何为共享？如何共享？_AQS