多线程同步器AQS

介绍

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的缩写，AbstractQueuedSynchronizer类是很多cuncurrent.lock是包中的Lock的实现类，常见的ReentrantLock（可重入锁）、ReadWriteLock（读写锁）。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L;
    ...
    protected AbstractQueuedSynchronizer() { }
    // 队列头
    private transient volatile Node head;
    // 队列尾
    private transient volatile Node tail;
    // 同步状态
    private volatile int state;
    ...

AQS是用来构建锁和其他同步组件的基础框架。state是用于表示同步状态，队列是FIFO的队列，用于完成资源获取线程的排队工作。volatile的队列头和队列尾。

Node代码

static final class Node {
        static final Node SHARED = new Node();
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;

        volatile int waitStatus;

        volatile Node prev;

        volatile Node next;

        volatile Thread thread;
        Node nextWaiter;

        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }

        Node() {
        }

        Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }

        Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    }

Head节点代表当前持有锁的线程，每当线程竞争失败，则插到队列的尾节点。
tail节点始终指向队列最后的一个元素。
waitStatus代表每个节点当前的状态，具有四种状态：
1. CANCELLED 取消状态
2. SIGNAL 等待触发状态
3. CONDITION 等待条件状态
4. PROPAGATE 状态需要向后传播
队列是FIFO，只有前一个节点为SIGNAL的时候，当前节点才能被挂起。

获取锁原理

tryAcquire和tryRelease方法修改state

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

获取锁的过程

拟定线程A和线程B进行竞争。
1. 线程A执行CAS执行成功，state值被修改并返回true，线程A继续执行。
2. 线程A执行CAS失败，说明线程B也在执行CAS指令且成功，这种情况A执行步骤3。
3. 生成新Node节点node，并通过CAS指令插入到对位，如果tail为空，则将head节节点指向另一个空节点，应该是线程B。

private Node addWaiter(Node mode) {
     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
     Node pred = tail;
     if (pred != null) {
         node.prev = pred;
         if (compareAndSetTail(pred, node)) {
             pred.next = node;
             return node;
         }
     }
     enq(node);
     return node;
}
private Node enq(final Node node) {
     for (;;) {
         Node t = tail;
         if (t == null) { // Must initialize
             if (compareAndSetHead(new Node()))
                 tail = head;
         } else {
             node.prev = t;
             if (compareAndSetTail(t, node)) {
                 t.next = node;
                 return t;
             }
         }
     }
}

1. node插入到队尾后，该线程不会立马挂起，会进行自旋操作。因为在node的插入过程，线程B（即之前没有阻塞的线程）可能已经执行完成，所以要判断该node的前一个节点pred是否为head节点（代表线程B），如果pred == head，表明当前节点是队列中第一个“有效的”节点，因此再次尝试tryAcquire获取锁，
   1）如果成功获取到锁，表明线程B已经执行完成，线程A不需要挂起。
   2）如果获取失败，表示线程B还未完成，至少还未修改state值。进行步骤5。

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);
    }
}

1. 如果前一个节点pred的线程状态为SIGNAL时，当前节点才能被挂起。
   1）如果pred的waitStatus == 0，则通过CAS指令修改waitStatus为Node.SIGNAL。
   2）如果pred的waitStatus > 0，表明pred的线程状态CANCELLED，需从队列中删除。
   3）如果pred的waitStatus为Node.SIGNAL，则通过LockSupport.park()方法把线程A挂起，并等待被唤醒，被唤醒后进入步骤6。

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;
}

1. 线程每次被唤醒时，都要进行中断检测，如果发现当前线程被中断，那么抛出InterruptedException并退出循环。从无限循环的代码可以看出，并不是被唤醒的线程一定能获得锁，必须调用tryAccquire重新竞争，因为锁是非公平的，有可能被新加入的线程获得，从而导致刚被唤醒的线程再次被阻塞，“非公平”锁就是这个设置。

释放锁的过程

1. 如果头结点head的waitStatus值为-1，则用CAS指令重置为0；
2. 找到waitStatus值小于0的节点s，通过LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程。

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);
}