Java并发之AQS与自旋锁（利用CAS实现）

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Java并发之AQS与自旋锁（利用CAS实现）

2024-01-24 08:52| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、概述

　　谈到并发，不得不谈ReentrantLock；而谈到ReentrantLock，不得不谈AbstractQueuedSynchronizer（AQS）！

　　类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

　　以下是本文的目录大纲：

概述框架源码详解简单应用

　　若有不正之处，请谅解和批评指正，不胜感激。

　　请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接（原文持续更新，建议阅读原文）：Java并发之AQS详解 - waterystone - 博客园

二、框架

　　它维护了一个volatile int state（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，在此不述。state的访问方式有三种:

getState()setState()compareAndSetState()

　　AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

　　不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

　　以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

　　再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

　　一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

三、源码详解

　　本节开始讲解AQS的源码实现。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来。

3.0 结点状态waitStatus

这里我们说下Node。Node结点是对每一个等待获取资源的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身及其等待状态，如是否被阻塞、是否等待唤醒、是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前Node结点的等待状态，共有5种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

CANCELLED(1)：表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。

SIGNAL(-1)：表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。

CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。

PROPAGATE(-3)：共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。

0：新结点入队时的默认状态。

注意，负值表示结点处于有效等待状态，而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、 0) { 7 /* 8 * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。 9 * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！ 10 */ 11 do { 12 node.prev = pred = pred.prev; 13 } while (pred.waitStatus > 0); 14 pred.next = node; 15 } else { 16 //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！ 17 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); 18 } 19 return false; 20 }

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整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

3.1.3.2 parkAndCheckInterrupt()

　　如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。

1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 2 LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态 3 return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。 4 }

　　park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。（再说一句，如果线程状态转换不熟，可以参考本人写的Thread详解）。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。

3.1.3.3 小结

　　OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：

结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。

3.1.4 小结

　　OKOK，acquireQueued()分析完之后，我们接下来再回到acquire()！再贴上它的源码吧：

1 public final void acquire(int arg) { 2 if (!tryAcquire(arg) && 3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 4 selfInterrupt(); 5 }

再来总结下它的流程吧：

调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

由于此函数是重中之重，我再用流程图总结一下：

至此，acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源码吧，整个函数就是一条acquire(1)！！！

3.2 release(int)

　　上一小节已经把acquire()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码：

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1 public final boolean release(int arg) { 2 if (tryRelease(arg)) { 3 Node h = head;//找到头结点 4 if (h != null && h.waitStatus != 0) 5 unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程 6 return true; 7 } 8 return false; 9 }

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　　逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点！！

3.2.1 tryRelease(int)

　　此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：

1 protected boolean tryRelease(int arg) { 2 throw new UnsupportedOperationException(); 3 }

　　跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

3.2.2 unparkSuccessor(Node)

　　此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码：

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1 private void unparkSuccessor(Node node) { 2 //这里，node一般为当前线程所在的结点。 3 int ws = node.waitStatus; 4 if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。 5 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 6 7 Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s 8 if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消 9 s = null; 10 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。 11 if (t.waitStatus 0 || h == null || h.waitStatus < 0) { 6 Node s = node.next; 7 if (s == null || s.isShared()) 8 doReleaseShared(); 9 } 10 }

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　　此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式！

　　doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。

3.3.2 小结

　　OK，至此，acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：

tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；失败则通过doAcquireShared()进入等待队列park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。

　　其实跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作（这才是共享嘛）。

3.4 releaseShared()

　　上一小节已经把acquireShared()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码：

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1 public final boolean releaseShared(int arg) { 2 if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源 3 doReleaseShared();//唤醒后继结点 4 return true; 5 } 6 return false; 7 }

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　　此方法的流程也比较简单，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。例如，资源总量是13，A（5）和B（7）分别获取到资源并发运行，C（4）来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量，然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看只有3个仍不够继续等待；随后B又释放2个，tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看有5个够自己用了，然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源（state=0）才返回true，所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。

3.4.1 doReleaseShared()

　　此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：

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1 private void doReleaseShared() { 2 for (;;) { 3 Node h = head; 4 if (h != null && h != tail) { 5 int ws = h.waitStatus; 6 if (ws == Node.SIGNAL) { 7 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) 8 continue; 9 unparkSuccessor(h);//唤醒后继 10 } 11 else if (ws == 0 && 12 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) 13 continue; 14 } 15 if (h == head)// head发生变化 16 break; 17 } 18 }

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3.5 小结

　　本节我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码，相信大家都有一定认识了。值得注意的是，acquire()和acquireShared()两种方法下，线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是，相应的源码跟acquire()和acquireShared()差不多，这里就不再详解了。

四、简单应用

　　通过前边几个章节的学习，相信大家已经基本理解AQS的原理了。这里再将“框架”一节中的一段话复制过来：

　　OK，下面我们就以AQS源码里的Mutex为例，讲一下AQS的简单应用。

4.1 Mutex（互斥锁）

　　Mutex是一个不可重入的互斥锁实现。锁资源（AQS里的state）只有两种状态：0表示未锁定，1表示锁定。下边是Mutex的核心源码：

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1 class Mutex implements Lock, java.io.Serializable { 2 // 自定义同步器 3 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 4 // 判断是否锁定状态 5 protected boolean isHeldExclusively() { 6 return getState() == 1; 7 } 8 9 // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。 10 public boolean tryAcquire(int acquires) { 11 assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量 12 if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！ 13 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源 14 return true; 15 } 16 return false; 17 } 18 19 // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。 20 protected boolean tryRelease(int releases) { 21 assert releases == 1; // 限定为1个量 22 if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！ 23 throw new IllegalMonitorStateException(); 24 setExclusiveOwnerThread(null); 25 setState(0);//释放资源，放弃占有状态 26 return true; 27 } 28 } 29 30 // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！ 31 private final Sync sync = new Sync(); 32 33 //lockacquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。 34 public void lock() { 35 sync.acquire(1); 36 } 37 38 //tryLocktryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。 39 public boolean tryLock() { 40 return sync.tryAcquire(1); 41 } 42 43 //unlockrelease。两者语文一样：释放资源。 44 public void unlock() { 45 sync.release(1); 46 } 47 48 //锁是否占有状态 49 public boolean isLocked() { 50 return sync.isHeldExclusively(); 51 } 52 }

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　　同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，供自己使用；而同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。当然，接口的实现要直接依赖sync，它们在语义上也存在某种对应关系！！而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase，至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。

　　除了Mutex，ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多，不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点，AQS的核心便被攻破了！

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