AQS源码分析

愤怒的代码

已于 2024-10-15 11:20:33 修改

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分类专栏： Java源码分析文章标签： java

于 2024-10-15 09:48:51 首次发布

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让我们从详细源码的角度逐步分析 Java 8 中 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的核心方法和工作原理。这里我们将深入讨论 AQS 的关键部分，包括独占模式、共享模式、同步队列、Node 状态转换、锁的获取和释放等内容，详细解析每个核心方法的实现。

1. AQS 的整体设计思路

AQS 通过一个 volatile int 类型的变量 state 来表示同步状态，并通过一个双向链表（同步队列）来管理争用资源的线程。AQS 提供了两种模式：

独占模式：只有一个线程可以获取资源，其他线程需排队等待，常见的例子有 ReentrantLock。
共享模式：多个线程可以同时获取资源，常见的例子有 Semaphore 和 CountDownLatch。

2. 同步状态（`state`）

state 是 AQS 的核心，通过 getState()、setState(int) 和 compareAndSetState(int, int) 方法来管理同步状态的读写和更新。这些方法分别是读取同步状态、设置同步状态和原子更新同步状态（CAS 操作）。

private volatile int state;

protected final int getState() {
    return state;
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

compareAndSetState() 使用 CAS 来更新同步状态，以保证线程安全性，避免锁竞争。

3. 同步队列（`Node` 和 `SyncQueue`）

当一个线程不能获取资源时，它会被封装为 Node 加入到同步队列中进行排队等待。Node 是 AQS 的内部静态类，封装了线程及其状态。

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;         // 线程等待超时或中断被取消
    static final int SIGNAL = -1;           // 需要通知后续节点唤醒
    static final int CONDITION = -2;        // 条件等待
    static final int PROPAGATE = -3;        // 共享模式下的传播状态

    volatile int waitStatus;                // 当前节点的状态
    volatile Node prev;                     // 前驱节点
    volatile Node next;                     // 后继节点
    volatile Thread thread;                 // 当前节点对应的线程
    Node nextWaiter;                        // 条件等待队列中的下一个节点
}

CANCELLED：当线程因为超时或中断取消等待时，节点的 waitStatus 会变为 CANCELLED。
SIGNAL：表示该节点的后继节点处于等待状态，需要通知后继节点来继续竞争资源。
CONDITION：当节点处于 Condition 等待队列时，状态为 CONDITION，即线程在 Condition.await() 后进入等待状态。
PROPAGATE：仅在共享模式下使用，表示资源的释放需要传播。

4. 获取资源流程（独占模式）

在独占模式下，线程通过调用 acquire(int) 来获取资源。AQS 首先会尝试直接获取资源，如果失败，线程会被加入到等待队列中并阻塞，直到资源可用。

4.1 `acquire(int arg)`

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

tryAcquire(arg)：这是一个模板方法，由具体的同步器（例如 ReentrantLock）实现，尝试获取锁。如果获取失败，返回 false。
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：如果 tryAcquire 失败，当前线程会被封装为一个 Node 并加入同步队列。
acquireQueued(Node, int)：线程在同步队列中等待，当前驱节点释放资源时，才会被唤醒重新尝试获取锁。

4.2 `addWaiter(Node mode)`

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

该方法将线程封装为一个 Node 并添加到同步队列的尾部。如果 tail 不为 null，线程尝试直接插入队列尾部；如果失败，则调用 enq(Node) 进行入队操作。

4.3 `acquireQueued(Node node, int arg)`

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            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)
            cancelAcquire(node);
    }
}

该方法会不断检查前驱节点是否为头结点，并尝试获取锁。如果成功，当前线程会成为新的头结点。否则，线程进入阻塞状态等待唤醒。
shouldParkAfterFailedAcquire(Node p, Node node)：判断当前线程是否需要进入阻塞状态。
parkAndCheckInterrupt()：将当前线程阻塞，并在被唤醒时检查是否中断。

4.4 `shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)`

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

判断前驱节点是否处于 SIGNAL 状态，如果是，则说明当前线程需要阻塞；否则，更新前驱节点的状态为 SIGNAL，表示需要唤醒后继节点。

4.5 `parkAndCheckInterrupt()`

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

该方法调用 LockSupport.park(this) 来将当前线程阻塞，并在被唤醒时检查线程是否被中断。

5. 释放资源流程（独占模式）

当持有锁的线程调用 release(int) 时，它会释放资源，并唤醒等待队列中的下一个线程。

5.1 `release(int arg)`

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease(arg)：模板方法，具体的同步器需要实现该方法释放资源。
unparkSuccessor(Node)：唤醒同步队列中的下一个线程。

5.2 `unparkSuccessor(Node node)`

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;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

该方法唤醒队列中的下一个等待节点。通过 LockSupport.unpark(Thread) 唤醒线程，使其继续执行。

6. 共享模式下的锁获取与释放

在共享模式下，多个线程可以同时获取锁。AQS 通过 acquireShared(int) 和 releaseShared(int) 来管理共享资源的访问。

6.1 `acquireShared(int arg)`

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

tryAcquireShared(int)：尝试获取共享资源，具体实现由子类提供。返回值小于 0 表示获取失败。
doAcquireShared(int)：当获取失败时，线程会进入同步队列等待。

6.2 `doAcquireShared(int arg)`

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}