Java并发（八）：AbstractQueuedSynchronizer

先做总结：

1、AbstractQueuedSynchronizer是什么？

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）这个抽象类，是Java并发包 java.util.concurrent 的基础工具类，是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。

AbstractQueuedSynchronizer其实是锁的主体。Lock类会有一个AQS类型的属性，来实现锁。

2、AQS如何实现锁？

（1）Lock类会有一个AQS类型的属性sync，sync是AQS的子类，重写了tryAcquire()方法（获取锁）和tryRelease()方法（释放锁）。

（2）线程T获取到锁标志：AQS.state > 0 && AQS.exclusiveOwnerThread == 当前线程T。tryAcquire()/tryRelease()方法其实就是对AQS.state AQS.exclusiveOwnerThread 的操作。

3、AQS原理：

（1）AQS中维护着一个同步队列。

　　头结点headNode只能是null或者是已经获取到锁的线程，只有第二个节点能够尝试获取锁。

　　第二个节点获取到锁之后变为头结点。

（2）acquire()方法会调用tryAcquire()获取锁。tryAcquire()获取到锁，完成。

　　如果获取锁失败（没有竞争到锁），当前线程T会封装成Node插入同步队列中，并且将当前线程T park()。

（3）release()方法调用tryRelease()方法释放锁，当前线程释放锁之后，会unpark()下一节点（也就是唤醒第二节点，因为持有锁的一定是头节点线程或者不在队列中的线程）

一、CLH同步队列

AQS通过内置的FIFO同步队列来完成资源获取线程的排队工作。

如果当前线程获取同步状态失败（锁）时，AQS则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会park当前线程；

当同步状态释放时，则会把节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

static final class Node {
    static final Node SHARED = new Node();// 共享模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;// 独占模式
    static final int CANCELLED =  1;// 此线程取消了争抢这个锁
    static final int SIGNAL = -1;// 当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒(表示后继节点的状态)
    static final int CONDITION = -2;// 当前节点线程状态 0-没有获得锁 >0-线程取消了等待
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;// 每一个节点对应一个线程
    Node nextWaiter;// 共享模式/独占模式
}

入列：

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {// 加入队尾
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {// 失败:其它线程抢先入列了
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }
    
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {// 循环入列，直到成功
            Node t = tail;
            if (t == null) {// 初始化head
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {// 失败:其它线程抢先入列了
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点，该方法可以确保节点是线程安全添加的

二、属性

    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private volatile int state;// 0代表没有被占用，大于0代表有线程持有当前锁(锁可以重入，每次重入都+1)
    private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 继承自AbstractOwnableSynchronizer 当前持有锁的线程

三、主要方法

    getState()// 返回同步状态的当前值；
    setState(int newState)// 设置当前同步状态；
    compareAndSetState(int expect, int update)// 使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性；
    
    acquire(int arg)// 独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则，将会进入同步队列等待，该方法将会调用可重写的tryAcquire(int arg)方法；
    acquireInterruptibly(int arg)// 与acquire(int arg)相同，但是该方法响应中断，当前线程为获取到同步状态而进入到同步队列中，如果当前线程被中断，则该方法会抛出InterruptedException异常并返回；
    tryAcquireNanos(int arg,long nanos)// 超时获取同步状态，如果当前线程在nanos时间内没有获取到同步状态，那么将会返回false，已经获取则返回true；
    acquireShared(int arg)// 共享式获取同步状态，如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与独占式的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态；
    acquireSharedInterruptibly(int arg)// 共享式获取同步状态，响应中断；
    tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)// 共享式获取同步状态，增加超时限制；
    release(int arg)// 独占式释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒；
    releaseShared(int arg)// 共享式释放同步状态；
    
    tryAcquire(int arg)// 独占式获取同步状态；通过子类重写实现
    tryRelease(int arg)// 独占式释放同步状态；通过子类重写
    tryAcquireShared(int arg)// 共享式获取同步状态；子类重写
    tryReleaseShared(int arg)// 共享式释放同步状态；子类重写

四、以独占锁为例解析AQS（共享锁几乎一样）

AQS的设计模式采用的模板方法模式，子类通过继承的方式，实现它的抽象方法来管理同步状态，对于子类而言它并没有太多的活要做，AQS提供了大量的模板方法来实现同步。

独占式同步状态获取

   public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) && // 尝试获取锁-由子类重写
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 获取锁失败: addWaiter()-当前线程new Node+入列; acquireQueued()-设置前驱节点状态-1，当前线程park()
            selfInterrupt();
    }
    
    /**    
     * 1.尝试获取锁  获取成功，将当前节点置为头结点
     * 2.获取锁失败，将前驱节点状态置为-1，当前节点线程park()等待
     * 3.前驱点释放锁时，会将当前节点unpark()，继续自旋获取锁
     */
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false; // 中断标志
            
            // 自旋
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor(); // 当前线程的前驱节点
                if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱节点是head时，当前节点才能请求锁（请求锁的是第二个节点）
                    setHead(node); // 当前线程获取到锁之后，将当前节点置为头结点
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    
    /**
     * 1.park开头的方法来阻塞当前线程，unpark(Thread thread)方法来唤醒一个被阻塞的线
     * 2.前驱点 waitStatus==-1，当前节点线程才能park
     * 3.ws>0表示已经获取过锁，从CLH队列删除，CLH队列存放没有获取到锁被挂起的线程节点
     * 4.当前线程没有获取到锁，需要设置前驱节点状态为-1，这样当前节点线程才能park()
     */
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus; // 前驱节点 
        if (ws == Node.SIGNAL) // 当前节点线程可以park
            return true;
        if (ws > 0) { // ws>0 已经获取过锁,从CLH队列删除
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else { // 需要设置前驱节点状态为-1，这样当前节点线程才能park()
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }
    
    /**
     * 当前线程park()等待，直到unpark()
     */
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

acquire(int arg)方法流程图如下：

独占式同步状态释放

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) { // 尝试释放锁-由子类重写
            Node h = head; // 头结点占有锁(原因：第二节点获取到锁之后被置为头结点)
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            // 从队尾往前找，找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
            // 从队尾往前找原因：node.next可能会存在null或者取消了。入列时是先设置node.prev,CAS之后再设置node.next
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) 
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null) // 唤醒下一节点
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }