深入解析AbstractQueuedSynchronizer(AQS)的内部原理，包括类继承结构、内部等待队列Node、独占锁和共享锁的获取与释放流程。
2.2.2 内部原理
类继承结构
Lock package相关API继承结构，忽略掉了一些类，以便观察其特点：
ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock都是借助内部类Sync来实现Lock接口。ReentrantReadWriteLock没有直接实现Lock接口而是内置了读锁-ReadLock和写锁-WriteLock分别实现Lock接口。Sync包含两个子类：FairSync(公平锁)，NonfairSync(非公平锁)；在构建ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock对象时，可通过带有参数的构造函数指定是否采用公平锁；不指定时默认是非公平锁。Sync类是从·AbstractQueuedSynchronizer继承而来。
抽象队列同步器AQS
AbstractQueuedSynchronizer简称AQS，Doug Lea大师创作，用来构建锁或者其他同步组件的基础框架类，除了ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock还有很多其他的并发工具类的实现都依赖于AQS；CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等都是基于AQS实现。（本章主要分析AQS的源码，下一章可以分析下这些类的用法）。
AQS为同步状态的原子性管理、线程的阻塞和解除阻塞以及排队提供了一种通用机制。基于模板方法模式设计，在使用时需要通过组合一个AQS的子类并重写其同步资源获取和释放逻辑方法tryAcquire()和tryRelease()。
AQS的使用思路很简单，在有线程获取锁时，调用子类tryAcquire()尝试获取锁，在获取失败时，将线程加入到一个基于CLH锁结构实现的等待队列中，当持有锁的线程执行完操作释放锁时，调用子类的tryRelease()释放锁资源，并唤醒等待队列中的下一个线程开始获取锁。
主要API
-
同步状态管理
int getState(): 获取同步状态void setState(): 设置同步状态boolean compareAndSetState(int expect, int update)：基于CAS，原子设置当前状态
两组用于实现独占模式和共享模式的抽象方法。
-
独占模式锁操作
acquire(int)：尝试获取争用资源，如果未获取到，当前线程将进入等待队列。tryAcquire()：争用资源逻辑的具体实现，必须由具体的AQS使用者去实现。acquireInterruptibly()：支持中断的获取acquire操作release()：当前线程释放争用资源，并唤醒等待队列中的其他线程进入争抢。tryRelease()：释放争用资源的具体实现，必须由具体的AQS使用者去实现
-
共享模式锁操作
acquireShared()：acquire的共享模式版本。tryAcquireShared()：tryAcquire的共享模式版本。acquireSharedInterruptibly()：acquireInterruptibly的共享模式版本releaseShared()：release的共享模式版本tryReleaseShared()：tryRelease的共享模式版本
源码
内部等待队列Node
static final class Node {
static final Node SHARED = new Node(); //共享模式
static final Node EXCLUSIVE = null; //独占模式
Node nextWaiter; //独占或共享模式标记
//等待状态常量定义
static final int CANCELLED = 1; //取消
static final int SIGNAL = -1; //通知
static final int CONDITION = -2; //条件等待
static final int PROPAGATE = -3; //传播
volatile int waitStatus; //等待状态属性
volatile Node prev; //前驱节点
volatile Node next; //后继节点
volatile Thread thread; //节点所封装的线程
//判断节点是否处于共享模式
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
//获取前驱节点，为空时抛出异常
final Node predecessor() throws NullPointerException {
Node p = prev;
if (p == null) {
throw new NullPointerException();
} else {
return p;
}
}
//以独占或共享模式构造一个线程节点，由AQS的addWaiter调用
Node(Thread thread, Node mode) {
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
//Condition模式下使用此构造函数
Node(Thread thread, int waitStatus) {
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
独占锁的获取acquire()
/**
* !tryAcquire(arg):
* 首先调用其子类（实际的AQS使用者）尝试获取锁，获取成功函数就直接返回了。
* acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)): 子类未获取到锁时：
* 通过addWaiter() 以独占模式将当前线程封装成为Node节点并执行必要的初始化。
* 通过acquireQueued()根据节点在队列中的位置，执行获取锁或者是阻塞线程操作
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
/**
* 1. 将当前线程封装为node节点。
* 2. 如队列未初始化，则初始化队列，并把当前线程节点加入队列末尾。
* 3. 如果队列已经初始化（已经存在等待锁的其他线程节点），则将当前线程节点直接加入到队里末尾
* 4. 返回代表当前线程的Node节点。
*/
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 将当前线程封装成为Node节点。
Node pred = tail; // pred指向队列末尾
if (pred != null) { // 如果队列末尾元素不为空
node.prev = pred;
// CAS更新队列末尾指向当前线程节点。更新成功后，将旧队列末尾的后驱指向当前线程节点，返回当前线程节点。
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node); //如果队列为空，则初始化队列，然后将当前线程节点加入队列
return node;
}
/**
* 如果队列未初始化，则使用一个无指向的Node作为队列头，将当前线程节点链接到head作为队列尾。
* 此处使用轻量级的自循环+Cas更新的方式，来处理enq函数被多线程并发执行时的问题，
* 想一想如果没有循环那么enq函数被多线程并发时可能带来什么问题？
*/
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;
}
}
}
}
/**
* 如果节点前驱是队列头，则尝试获取锁。
* 此时：node就是队列首个有效节点，head在初始化时是一个无指向的Node，
* 而node在获取锁后通过setHead(node)被设置成为head，但同时置空了node指向的Thread和前驱节点，head仍然是个无指向的节点）
* 如果节点前驱不是队列头，则将前驱状态更改为SIGNAL后通过LockSupper.park()阻塞当前线程。
* 此时：在node之前至少有两个有效节点（node.prev和node.prev.prev）node.prev.prev此时可能已经获取锁，也可能在等待。但是node.prev
* 一定在等待，那么当前节点应该进入阻塞等待，而前驱节点已经处于等待状态可以被设置设置成待通知状态。
*/
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;
}
// shouldParkAfterFailedAcquire(): 保证当前节点前驱节点状态为Node.SIGNAL后
// parkAndCheckInterrupt(): 通过LockSupport.park() 阻塞当前线程。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
//获取成功后，
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* 如果当前节点前驱节点状态为Node.SIGNAL，则返回true,否则，将前驱节点状态设置为Node.SIGNAL后
* 如果遇到前驱节点状态为取消的情况，则从前驱节点向前遍历，找到最后一个未被取消的节点，将当前节点连接在该节点后面。
*/
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 已经设置了状态，可以安全
if (ws == Node.SIGNAL) return true;
if (ws > 0) {
//从当前线程节点向前遍历，把当前线程节点放到队列最靠后的一个有效等待的节点。
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
独占锁的释放release()
/**
* 首先调tryRelease()对子类资源进行释放。
* 如果 head!=null 或者 head的等待状态不为零，说明仍然有后续节点在等待。此时需要唤醒后续节点。
*/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
/**
* 将当前节点状态重置为零，并从队列尾部向前找到第一个有效节点，通过unpark通知该节点线程。，
* 为何不是从当前节点向后查找？
*/
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);
}
共享锁的获取 acquireShare
有了独占模式的分析后，共享模式就简单多了。
/**
* 调用子类tryAcquireShare尝试获取锁，tryAcquireShare()函数返回值小于零时获取失败。
* 获取失败时，调用doAcquireShared方法处理
*/
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
/**
* 与独占模式流程相似，但是封装节点时采用的是SHARED模式。
*/
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);
}
}
/**
* 调用子类释放锁，然后将当前节点从队列
*/
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
共享锁的释放doReleaseShared
/**
* 实际执行释放锁的操作，
* 由于是共享模式，在释放锁时也存在多个线程并发释放的情况，因此采用循环+CAS的机制
* 来使并发释放的多个线程顺序unpark队列中的后续节点。
*/
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
可中断模式 acquireSharedInterruptibly
中断模式也获取的也是独占锁，只是会在尝试获取锁前先检查线程的中断状态，如果线程被中断，那么会抛出InterruptedException而不会继续尝试获取锁。中断模式获取的锁也通过release()进行释放。
/**
* 在获取锁时会首先判断线程是否被中断，如果中断则直接抛出异常。
* 未被中断，则调用子类tryAcquire()尝试获取锁。获取失败时，通过doAcquireInterruptibly()进行处理。
*/
public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}
/**
* 与doAcquire()同样的流程，区别只在于，线程进入等待队列，而后被其他节点唤醒后，会根据线程中断状态决定后续操作：
* 如果线程被中断，则直接抛出InterruptedException而不会继续获取锁。
*/
private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
到此AQS的源码基本就完了，但是仍然有个问题困扰自己：
在唤醒方法unparkSuccessor(Node node)中，当前节点的后驱不是有效节点时
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;
}
为何是从队列尾部向前遍历找到离队尾最近的有效节点，而不是从当前节点向后遍历，找到离当前节点最近的有效节点？
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