AQS
AQS ：AbstractQueuedSynchronizer的简称。
AQS提供了一种手动实现锁功能，使用状态管理、FIFO（先入先出队列）等待队列等实现一个同步器功能。
如果 Synchronized 关键字比喻成是一个自动挡汽车，提供自动加锁一系列平顺感，
那么 AbstractQueuedSynchronizer 就是一个手动挡的变速箱，提供一些手动加锁的灵活性和可控性。
乐趣包含：独占、共享、可重入、可自旋、可中断。
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ReentrantLock 可重入锁的实现来分析 AQS
一个对象可以重复递归的获取本对象的锁，而不会出现死锁，这样的锁称为可重入锁。
ReentrantLock 就是这样的一个实现，他通过 AQS 实现状态管理和队列控制。
具体实现的方式就是通过状态位标识，当本线程占用时 state = 1，重入后 state + 1，每以此重入都会执行 +1 操作。
当释放锁的时候，每执行 release 释放操作，则 state -1 。直到 state = 0 结束，代表锁已经完全释放。
volatile 保证这个属性的可见性，可以被其他线程读取修改。
/**
* AQS The synchronization state.
*/
private volatile int state;
先来看看该类下的概况：
构造函数
/**
* 默认的构造函数，采用非公平锁，因为非公平锁效率更高
* This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
*/
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
/**
* 构造函数根据参数选择是公平锁还是非公平锁
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
从代码分析可以看到，ReentrantLock 的构造函数有两种：
- 第一种默认的，使用静态内部类属性
sync = new NonfairSync();， 默认使用非公平锁方式。 - 也可以通过 boolean 类型参数来指定，fair = true ， sync = 公平锁 .fair = false, sync = 非公平锁。
类关系:ReentrantLock 三个内部类 与 AQS
- Sync : 继承自 AbstractQueuedSynchronizer，大名鼎鼎 AQS
- NonfairSync : 非公平同步器实现，继承 Sync
- FairSync ： 公平同步器实现，继承 Sync
NonfairSync 非公平方式获取锁
/**
* Sync object for non-fair locks
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* 如果当前 state = 0 ，表示没有线程占有，直接获取锁
* 如果CAS 失败，则表示抢占失败，需要入对列进行等待，也就是公平锁方式
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
NonfairSync.lock()
NonfairSync.lock() 方式获取，以非公平的方式抢占。当调用 lock 方法时，会进行判断，当前是否有线程占用情况，
利用 unsafe 类的 CAS 比较交换 ，如果当前值是 0 ，符合预期的 expect 参数 0 ，那么将 0 替换为 1 。
如果设置值成功，说明当期没有线程占用，当前线程可以直接获取锁，并设置当前线程为排他锁模式 setExclusiveOwnerThread，
这个过程就是抢占，如果CAS操作失败，调用 acquire（1），表示没有抢占成功，会插入 queue 等待，以公平锁方式加入FIFO。
下面看下 AQS 的 acquire 具体实现方式：
/**
* AQS 中的 acquire ,可以看到有如下判断
* ① 子类中的 tryAcquire 是否成功：true
*
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
在 acquire（1）函数中会有两个判断条件来决定是否调用 selfInterrupt() 来阻塞当前线程。
tryAcquire（1）这个方法由子类实现，也就是 NonfairSync 里面的实现。acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)这一行代码博大精深，还是待会结合源码具体分析。
也就是说，如果竞争获取 state 失败，并且已经将本线程封装为 Node 加入 FIFO 队列，那么就说明在等待其他线程先执行，需要挂起本线程等待。
NonfairSync.tryAcquire()
tryAcquire() 方式尝试获取，拿到或者拿不到锁都会直接返回结果。
这个方法在 lock() 里面也会调用，就是在抢占锁失败后走的流程。
从代码中可以看出，tryAcquire() 调用的是父类 Sync nonfairTryAcquire 方法,而 sync 实现的是 AQS 中的 tryAcquire()模板方法.
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in
* subclasses, but both need nonfair try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState(); // 当前状态
if (c == 0) { // 如果是 0 表示没有线程占用
if (compareAndSetState(0, acquires)) { // CAS 替换值是否成功
setExclusiveOwnerThread(current); // 将当前线程设置为排他锁模式
return true; // 返回结果 true
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 当前线程就是正在执行的排他锁模式线程
int nextc = c + acquires; // 通过 state + 1 来进行计数，表示重入层数，没重入一层 +1
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc); // 设置值
return true; // 返回结构 true 重入成功
}
return false;
}
AQS addWaiter
当tryAcquire方法获取锁资源（state）失败以后，则会先调用addWaiter将当前线程封装成Node，然后添加到 FIFO 队列
private Node addWaiter(Node mode) { //mode=Node.EXCLUSIVE
//将当前线程封装成Node，并且mode为独占锁
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// tail是AQS的中表示同步队列队尾的属性，刚开始为null，所以进行enq(node)方法
Node pred = tail;
if (pred != null) { //tail不为空的情况，说明队列中存在节点数据
node.prev = pred; //将当前线程的 Node 的 prev 前置节点指向 tail 尾部节点
if (compareAndSetTail(pred, node)) { //通过cas将 node 添加到 FIFO 队列
pred.next = node; //cas成功，把旧的tail的next指针指向新的tail
return node;
}
}
enq(node); //tail=null，将node添加到同步队列中
return node;
}
- 第一步：将当前线程封装成 Node，并且为独占模式
- 判断当前链表中的 tail 尾部节点是否为空，如果不为空，则通过 CAS 操作把当前线程的 Node 添加到 FIFO 队列尾部
- 如果为空 或者 CAS 失败，调用
enq (node)方法自旋来继续加入队列
AQS.enq()
/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // 自旋
Node t = tail; // 尾部节点
if (t == null) { // Must initialize 尾部是否为空
if (compareAndSetHead(new Node())) // 初始化设置头节点
tail = head; // 初始化尾部节点
} else { // 尾部节点不为空，队列存在数据
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) { // 将当前节点放到尾部节点，并返回当前尾部节点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
AQS.acquireQueued()
使线程在等待队列中获取资源，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
/**
* Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
* queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
*/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false; // 是否中断：初始false
for (;;) { // 自旋
final Node p = node.predecessor(); // 当前线程的前置节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 如果当前节点是队列的第二个，可以理解 head 为队列第一个，表示可以争抢锁
setHead(node); // 设置头节点为当前节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted; // 不需要中断
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 如果获得锁失败，则根据waitStatus决定是否需要挂起线程
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node); // 通过cancelAcquire取消获得锁的操作
}
}
- 自旋判断当前节点是不是 FIFO 队列中的第二个节点，这里默认 head 是 FIFO 的第一个节点
- 如果是，也就是 head 节点指向 node.predecessor() ,表示可以争取锁
- 获取锁成功，那么设置头节点为当前队列中的第二个节点
- 如果获取锁失败，则根据 waitStatus 决定是否需要挂起线程
- 最后通过 cancelAcquire 取消获得锁的操作
AQS.shouldParkAfterFailedAcquire
从上面的分析可以看出，如果不是队列的第二个节点，也就是 FIFO 其他的节点，
会进行 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 来进行判断，当前争取锁的线程是否需要在获取失败后阻塞。
只有当 waitStatus == Node.SIGNAL 是才返回 true
/**
* 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
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) // 如果前置节点的状态为 -1 ，表示可以前节点准备取出，后续节点 unparking
/*
* This node has already set status asking a release
* to signal it, so it can safely park.
*/
return true;
if (ws > 0) { // 如果状态 = 1 说明节点已经释放
/*
* Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
* indicate retry.
*/
do {
node.prev = pred = pred.prev; // 前置节点是取消状态，将前置节点的前节点，重新赋值到当期节点的前置节点上
} while (pred.waitStatus > 0); // 重复次操作
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.
*/
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
- 它首先判断一个节点的前置节点的状态是否为 Node.SIGNAL = -1 ，是，说明此节点的后续节点可以不用 park 了
- 前置节点是取消状态，将前置节点从链表上移除，使用前置节点的前一个节点赋值到当前节点的 prev 上面
- 重复第二步判断，直到链表中的前一个节点不为 1 ，并设置 prev.next ，链表的下一个节点为当前节点
- CAS 比较替换前置节点为 Node.SIGNAL = -1
/**
* indicate thread has cancelled
* 该线程节点已释放（超时、中断），已取消的节点不会再阻塞
*/
static final int CANCELLED = 1;
/**
* indicate successor's thread needs unparking
* 该线程的后续线程需要阻塞，即只要前置节点释放锁，就会通知标识为 SIGNAL 状态的后续节点的线程
*/
static final int SIGNAL = -1;
/**
* indicate thread is waiting on condition
* 该线程在condition队列中阻塞（Condition有使用）
*/
static final int CONDITION = -2;
/**
* indicate the next acquireShared should unconditionally propagate
* 表示下一个获取的共享对象的等待状态值应该无条件传播 （CountDownLatch中有使用）
* 该线程以及后续线程进行无条件传播的共享模式下， PROPAGATE 状态的线程处于可运行状态
*/
static final int PROPAGATE = -3;
AQS.parkAndCheckInterrupt
如果 shouldParkAfterFailedAcquire() 返回了true，则会执行：parkAndCheckInterrupt()方法，
它是通过LockSupport.park(this)将当前线程挂起到 WAITING 状态，它需要等待一个中断、unpark方法来唤醒它，
通过这样一种 FIFO 的机制的等待，来实现了 Lock 的操作。
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
LockSupport
LockSupport类是Java6引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数，归结到Unsafe里，只有两个函数：
public native void unpark(Thread jthread);
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。LockSupport 提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞，
LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1，0的开关，默认是0，调用一次unpark就加1变成1，
调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0，同时park立即返回。再次调用park会变成block（因为permit为0了，会阻塞在这里，
直到permit变为1）, 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累
ReentrantLock.tryRelease 释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
上面看到release方法首先会调用ReentrantLock的内部类Sync的tryRelease方法。而通过下面代码的分析，大概知道tryRelease做了这些事情。
- 获取当前AQS的state，并减去1；
- 判断当前线程是否等于 AQS 的exclusiveOwnerThread，如果不是，就抛IllegalMonitorStateException异常，这就保证了加锁和释放锁必须是同一个线程；
- 如果(state-1)的结果不为0，说明锁被重入了，需要多次unlock，这也是lock和unlock成对的原因；
- 如果(state-1)等于0，我们就将AQS的ExclusiveOwnerThread设置为null；
- 如果上述操作成功了，也就是tryRelase方法返回了true；返回false表示需要多次unlock。
模板方法模式应用
/**
* 这个方法是定义一个模板方法供子类实现，既然是模板方法，为什么没有声明 abstract ？
*/
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
仔细看这个方法，虽然使用了模板方法模式，却没有使用 abstract 。这点确实有意思，可以先停下思考一下。
先来简单介绍下模板方法模式：
规定好一些公用方法的主流程、算法而不具体实现，只是对流程进行控制，子类对具体的流程进行定义，这样保证其子类实现也按照流程和算法架构进行实现。
举个例子：抽象汽车公用方法 run() 包含以下功能
- start() — 启动汽车
- init() — 初始化功能 : 可以自定义，打开空调，打开收音机，播放音乐，打开天窗…
- go() — 前进：可以自定义，加速前进，百公里 0.1 s
- end() — 熄火
BMW888 车子是抽象汽车的具体实现，但是 run() 方法一样要遵守主流程。
再来回顾上面的问题，为啥 AQS 里 tryAcquire 是模板方法却不定义成 abstract？
因为独占模式下只用实现tryAcquire/tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared/tryReleaseShared。
如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。这样设计不符合设计规范，
违反了接口隔离原则（Interface Segregpation Principle），仔细想想也是不合理的。
接口隔离原则：每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法，如果不然，就要将接口拆分
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