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聊聊J.U.C - AQS

java.util.concurrent（J.U.C）大大提高了并发性能，AQS 被认为是 J.U.C 的核心。

AQS简介

java的内置锁一直都是备受争议的，在JDK 1.6之前，synchronized这个重量级锁其性能一直都是较为低下，虽然在1.6后，进行大量的锁优化策略,但是与Lock相比synchronized还是存在一些缺陷的：虽然synchronized提供了便捷性的隐式获取锁释放锁机制（基于JVM机制），但是它却缺少了获取锁与释放锁的可操作性，可中断、超时获取锁，且它为独占式在高并发场景下性能大打折扣。

在介绍Lock之前，我们需要先熟悉一个非常重要的组件，掌握了该组件JUC包下面很多问题都不在是问题了。该组件就是AQS。

AQS是什么？

AQS：AbstractQueuedSynchronizer，即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架（如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等），JUC并发包的作者（Doug Lea）期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。它是JUC并发包中的核心基础组件。

AQS解决了实现同步器时涉及当的大量细节问题，例如获取同步状态、FIFO同步队列。基于AQS来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。

工作过程

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，同时会阻塞当前线程，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。

AQS主要提供了如下一些方法

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；
tryAcquire(int arg)：独占式获取同步状态，获取同步状态成功后，其他线程需要等待该线程释放同步状态才能获取同步状态
tryRelease(int arg)：独占式释放同步状态；
tryAcquireShared(int arg)：共享式获取同步状态，返回值大于等于0则表示获取成功，否则获取失败；
tryReleaseShared(int arg)：共享式释放同步状态；
isHeldExclusively()：当前同步器是否在独占式模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程所独占；
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；

AQS的原理

在基于AQS构建的同步器中，只能在一个时刻发生阻塞，从而降低上下文切换的开销，提高了吞吐量。同时在设计AQS时充分考虑了可伸缩性，因此J.U.C中所有基于AQS构建的同步器均可以获得这个优势。

AQS的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。

AQS使用一个int类型的成员变量state来表示同步状态，当state>0时表示已经获取了锁，当state = 0时表示释放了锁。它提供了三个方法（getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update)）来对同步状态state进行操作，当然AQS可以确保对state的操作是安全的。

定义(源码分析)

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends
    AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { 
    //等待队列的头节点
    private transient volatile Node head;
    //等待队列的尾节点
    private transient volatile Node tail;
    //同步状态
    private volatile int state;
    protected final int getState() { return state;}
    protected final void setState(int newState) { state = newState;}
    ...
}复制代码

队列同步器AQS是用来构建锁或其他同步组件的基础框架，内部使用一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作，其中内部状态state，等待队列的头节点head和尾节点head，都是通过volatile修饰，保证了多线程之间的可见。

在深入实现原理之前，我们先看看内部的FIFO队列是如何实现的。

static final class Node {
    //该等待同步的节点处于共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    //该等待同步的节点处于独占模式
    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;
    //等待状态,这个和state是不一样的:有1,0,-1,-2,-3五个值
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;//前驱节点
    volatile Node next;//后继节点
    volatile Thread thread;//等待锁的线程
    Node nextWaiter;//和节点是否共享有关
    ...
    }复制代码

先来一张形象的图

聊聊J.U.C - AQS

黄色节点是默认head节点，其实是一个空节点，我觉得可以理解成代表当前持有锁的线程，每当有线程竞争失败，都是插入到队列的尾节点，tail节点始终指向队列中的最后一个元素。

每个节点中，除了存储了当前线程，前后节点的引用以外，还有一个waitStatus变量，用于描述节点当前的状态。多线程并发执行时，队列中会有多个节点存在，这个waitStatus其实代表对应线程的状态：有的线程可能获取锁因为某些原因放弃竞争；有的线程在等待满足条件，满足之后才能执行等等。一共有4种状态：

1. CANCELLED = 1 取消状态

该节点的线程可能由于超时或被中断而处于被取消(作废)状态,一旦处于这个状态,节点状态将一直处于CANCELLED(作废),因此应该从队列中移除.

2. SIGNAL = -1 等待触发状态

当前节点为SIGNAL时,后继节点会被挂起,因此在当前节点释放锁或被取消之后必须被唤醒(unparking)其后继结点.

3. CONDITION = -2 等待条件状态

该节点的线程处于等待条件状态，不会被当作是同步队列上的节点,直到被唤醒(signal)，设置其值为0,重新进入阻塞状态.

4. PROPAGATE 状态需要向后传播

等待队列是FIFO先进先出，只有前一个节点的状态为SIGNAL时，当前节点的线程才能被挂起。

实现原理

子类重写tryAcquire和tryRelease方法通过CAS指令修改状态变量state。

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

线程获取锁过程

下列步骤中线程A和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指令失败，说明线程B也在执行CAS指令且成功，这种情况下线程A会执行步骤3。

3. 生成新Node节点node，并通过CAS指令插入到等待队列的队尾（同一时刻可能会有多个Node节点插入到等待队列中），如果tail节点为空，则将head节点指向一个空节点（代表线程B），具体实现如下：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //把当前线程包装为node,设为独占模式
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
    Node pred = tail;
    //如果tail不为空,把node插入末尾
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        //此时可能有其他线程插入,所以重新判断tail
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        //此时可能有其他线程插入,所以重新判断tail是否为空
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}复制代码

4. 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，

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。
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();
            //如果它的前继节点为头结点,尝试获取锁,获取成功则返回
            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);
    }
}复制代码

5. 前面我们已经说过只有前一个节点pred的线程状态为SIGNAL时，当前节点的线程才能被挂起。

如果pred的waitStatus == 0，则通过CAS指令修改waitStatus为Node.SIGNAL。
如果pred的waitStatus > 0，表明pred的线程状态CANCELLED，需从队列中删除。
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。

具体实现如下：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        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;
}复制代码

6. 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，这个细节充分体现了“非公平”的精髓。

线程释放锁过程

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

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
如果node的后继节点不为空且不是作废状态,则唤醒这个后继节点,否则
从末尾开始寻找合适的节点,如果找到,则唤醒
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);
}复制代码