16、深入理解AQS的实现原理、源码分析

一、AQS原理

1、AQS是什么？

它是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架。

从它的名拆开来看：

1. Abstract：因为它不知道怎么上锁，所以采用模板方法暴露出上锁的逻辑。

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

     比如：获取锁的方法（tryAcquire()）和释放锁的方法（tryRelease()）

   • 子类调用AQS提供的模板方法时，模板方法会调用使用者重写的方法。

2. Queue：阻塞队列

   • 通过内置的FIFO队列来完成线程的排队工作；即抢不到锁的线程来这排队。

3. Synchronizer：同步

   • 使用一个int成员变量state表示同步状态；采用CAS完成多线程抢锁的逻辑。

子类只需要实现自己的获取锁逻辑和释放锁逻辑即可，至于排队阻塞等待、唤醒机制均由AQS完成。

和真正的锁不同的是：AQS同步器是面向锁的实现者，而锁则是面向使用者。

2、AQS的核心：CLH队列

AQS里面的CLH队列是CLH同步锁的一种变形。AQS依赖内部的这个同步队列(FIFO)来完成同步状态的管理。

AQS的核心就是用CAS去操作这个同步队列的head和tail，也就是用CAS操作代替了锁整条双向链表的操作，所以它效率高。

• **1> 当线程获取同步状态失败时**，AQS会将< 当前线程、等待状态等信息>`构建成一个Node节点通过addWaiter()方法加入到阻塞队列的尾部，同时会阻塞当前线程。

• Node节点的内容：获取同步状态失败的线程引用、等待状态、前驱和后继节点等。

• AQS的addWaiter()方法是基于CAS的设置尾节点，其中：

• compareAndSetTail(Node expext, Node update)，保证节点入队的线程安全性。

• 最后会在enq(fianl Node node)方法中，通过“死循环”来保证节点的正确添加。

  • 2> 当同步状态释放时，会把首节点的第一个活跃的后继节点线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

• 唤醒操作只需要将首节点设置成为原首节点的后续节点，断开原节点的next引用即可。

3、以独占锁同步状态的获取和释放为例：

• 在使用tryAcquire()方法获取同步状态时，AQS维护了一个同步阻塞队列，获取同步状态失败的线程都会通过CAS被加入到队列中并在队列中进行自旋。
  • 线程移出队列（停止自旋）的前提是前驱节点是头节点且成功获取了同步状态。
• 在释放同步状态时，AQS调用tryRelease(int arg)方法释放同步状态，然后唤醒头节点的后继节点。
  • 注意：维护同步队列的FIFO原则，只有前驱节点是头结点的节点才能获取同步状态。

4、从具体的代码实现来看

此处做一个总述，具体细节见后面的源码分析

1）互斥锁

<1> acquire()获取互斥锁

• acquire()方法中有一个模板方法tryAcquire()，用于给子类实现调用，判断是否获取锁成功。如果获取失败：

  1. 第一步先调用addWaiter()方法，通过CAS把当前线程节点封装成Node阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；

     • addWaiter()方法是基于CAS的设置尾节点，其中：

       • compareAndSetTail(Node expext, Node update)，保证节点入队的线程安全性。
       • 最后会在enq(fianl Node node)方法中，通过“死循环”来保证节点的正确添加。

  2. 第二步，放到AQS队列中后，调用acquireQueued()方法尝试去获取一下锁，如果获取锁成功，则把当前线程节点设置为head节点。

     • 如果获取锁失败，则调用shouldParkAfterFailedAcquire()方法，判断当前线程节点是否可以阻塞；
     • 即从当前线程节点一直往前找节点、直到找到一个SIGNAL的活跃节点，并把当前线程节点作为它的后继节点。
  3. 最后以响应中断的方式阻塞当前线程节点。

<2> release()释放互斥锁

• release()方法中有一个模板方法tryRelease()，用于给子类实现调用，判断是否释放锁成功，如果失败直接返回FALSE，否者：

• 调用unparkSuccessor()方法唤醒head节点的有效后继节点，即：从head节点开始往后找到第一个有效后继节点，唤醒。

  • 不过，找后继节点时，如果head的第一个后继节点是个无效节点，需要从tail节点开始往前遍历找到第一有效的后继节点。
  • 因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以可能有一瞬间遍历不到新的tail节点。

2）共享锁

<3> acquireShared()获取共享锁

• acquireShared()方法中有一个模板方法tryAcquireShared()，用于给子类实现调用，判断是否获取锁成功，如果获取成功直接返回，否者：

  1. 调用doAcquireShared()方法阻塞当前线程节点，其中包括：

     • 第一步：和tryAcquire()方法一样的调用addWaiter()方法，通过CAS把当前线程节点封装成Node阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；只是这里Node节点的类型是SHARED。

     • 第二步和tryAcquire()方法类似，尝试获取共享锁；

       • 首先判断当前Node节点的前驱节点是不是头结点，如果是：

         • 调用子类实现的tryAcquireShared()方法尝试获取锁，如果获取锁成功，则将当前Node节点设置为head节点，并且调用doReleaseShared()方法唤醒后继的SHARED类型的共享Node节点。
     • 第三步：继续往下走，如果线程获取锁失败，则采用响应中断的方式使用LockSupport.park(this)方法阻塞当前线程。
     • 最后，如果在尝试获取锁的过程中失败，则调用cancelAcquire()方法取消当前线程尝试获取共享锁的操作。将节点从竞争队列中移除，节点状态设置为CANCELLED、引用的线程对象置为null。

<4> releaseShared()释放共享锁

• releaseShared()方法中有一个模板方法tryReleaseShared()，用于给子类实现调用，判断是否释放锁成功，如果失败直接返回FALSE，否者：

• 调用doReleaseShared()方法唤醒head节点的有效后继节点，即：从head节点开始往后找到第一个有效后继节点，唤醒。

  • 不过，找后继节点时，如果head的第一个后继节点是个无效节点，需要从tail节点开始往前遍历找到第一有效的后继节点。
  • 因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以可能有一瞬间遍历不到新的tail节点。

5、面试题2：AQS中线程Node节点的PROPAGATE状态是什么意思？

在共享锁中，线程调用doReleaseShared()方法执行唤醒时，方法的代码段不是互斥的，所以为了保证线程的正确唤醒，也就有了这么一个中间状态。

以一个场景为例：Semaphore有两个许可，A线程和B线程都获取到了许可，C线程和D线程在等着。

• 假如A和B同时执行、释放锁，A在doReleaseShared()中CAS成功，将head节点B状态设置为0，并通过unparkSuccessor()方法去唤醒C。
• C被唤醒之后，它去抢锁，并且抢到锁了，在doAcquireShared()中有可能执行到了setHeadAndPropagate()方法去设置头结点为自己，也有可能没执行到，即可能将head节点从B更新到了C，可能还是B。这时我们再去看线程B释放锁的情况。
• 此时线程B他获取到的head节点就有两种情况：

  • 1. head还是B

       1. 表明线程A释放了一个共享锁唤醒了线程C，且线程C还没有将head节点更新到C上，即此时的head节点还是B，并且head节点的线程状态是0；
       2. B线程通过doReleaseShared()又释放了一个共享锁，释放锁的过程中发现head节点B的状态是0，这时就会将head节点B的状态设置为PROPAGATE状态。

       如果没有设置为PROPAGATE状态这一步，在线程B调用doReleaseShared()方法释放锁的过程，直接就h == head break退出循环了。即D不会由B唤醒，

       • 此时给人的感觉就是：原本应该有两个信号量，这时只有一个了。

    2. head是C就正常走了。

二、AQS源码分析

1、acquire()获取互斥锁

public final void acquire(int arg) {

    if (!tryAcquire(arg) && // 子类中判断获取锁失败返回false，这里取反则为true
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // addWaiter()方法为：获取锁失败后，加入到阻塞队列。
      // 进入阻塞阻塞队列之后，考虑线程是否睡眠？
        selfInterrupt();
}

// 子类实现获取锁的逻辑， AQS并不知道你用这个state来上锁
protected boolean tryAcquire(int arg) {

    throw new UnsupportedOperationException();
}

1、addWaiter()方法

获取互斥锁失败后，首先调用addWaiter()方法，通过CAS把当前线程节点封装成Node阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；

addWaiter()方法中基于CAS的设置尾节点，将阻塞线程节点放入阻塞队列；

保证节点入队的线程安全性；

并采用全路径 + 优化前置（把enq()方法中for循环里的一些判断前置到addWaiter()方法）的技巧，实现快速入队。

private Node addWaiter(Node mode) {

    // 创建等待节点：当前线程对象 + 锁模式（互斥锁？共享锁？）
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 快速加入到队列
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {

        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {

            //（面试重点，最难理解的地方）特别注意：当上面的CAS成功之后，有一瞬间pred.next并没有关联。这样会导致什么问题？
            // 那一瞬间，我们通过head引用遍历的时候，是到达不了最后一个节点的，A(heade) -> B(旧tail) <- C(新tail)
            // 如何获取到最新的节点？  直接通过tail指针往前遍历即可。
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // "死循环"确保节点正确添加
    enq(node);
    return node;
}

// 全路径入队方法
private Node enq(final Node node) {

    for (;;) {

        Node t = tail;
        if (t == null) {

      // 懒加载时，tail 和head分别代表aqs的头尾节点
            // 通过CAS实现原子初始化操作；当一个空节点实现初始化，
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {

            node.prev = t;
            // CAS更新tail节点，期望是t，想改成node
            if (compareAndSetTail(t, node)) {

                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

面试题3：为什么CAS可以保证线程安全？

1. 正常将一个节点添加到队列尾部需要三个操作：

   • 将tail节点的next引用指向newNode节点；
   • 将newNode节点的prev引用指向tail节点；
   • 将tail节点指针指向newNode节点。

2. 那么CAS如何保证三个操作的原子性？

3. addWaiter()中的逻辑为：

   1. 先复制引用，在线程栈中引用tail节点；
   2. 将newNode节点的prev指向tail节点；
   3. CAS将tail指向newNode节点；
   4. 修改旧tail节点的next引用到newNode上。

4. 这时，如果另外一个线程在第三步CAS失败，会for循环继续重试。直到CAS成功才会返回。

面试题4：是否存在通过head引用遍历不到最后一个节点的情况？

存在，因为：

在addWaiter()方法将newNode节点设置为新tail节点之后，才会将旧tail节点的next引用指向newNode。

• 如果在设置旧tail.next = newNode之前，我们通过head引用遍历，这一瞬间是遍历不到最后一个节点的。

如何获取到最新的节点？

• 直接通过tail指针往前遍历即可。

2、acquireQueued()方法

获取互斥锁失败后，其次调用acquireQueued()方法尝试再获取一次锁，进而决定是否将当前线程进行阻塞。

// node节点为添加到阻塞队列中的线程节点
@ReservedStackAccess
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {

  boolean failed = true;
  try {

    boolean interrupted = false;
    for (;;) {

      // 获取当前线程节点的前驱节点
      final Node p = node.predecessor();
      // 如果前驱节点是头结点（持有锁的线程节点），这是有可能头结点释放了锁，所以尝试tryAcquire()让子类抢一下锁
      if (p == head && tryAcquire(arg)) {

        // 获取锁成功，更新头结点；释放原头结点的next引用，帮助GC
        setHead(node);
        p.next = null; // help GC
        failed = false;
        return interrupted;
      }
      // 如果前驱节点不是头结点 或 抢锁失败，需要先判断线程是否应该被阻塞？ 因为有可能上一瞬间抢锁失败，但是到这的时候头结点已经释放了锁。
      // 如何阻塞呢？ 调用parkAndCheckInterrupt()方法来阻塞当前线程。
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
          parkAndCheckInterrupt())
        interrupted = true;
    }
  } finally {

    // 假如上面出现了任何异常，或者 没有获取到锁；取消获取锁操作
    if (failed)
      cancelAcquire(node);
  }
}

面试题5：为什么添加到阻塞队列后，要先尝试获取锁？

因为如果添加到阻塞队列后，当前锁状态是无锁的话，就不会有活跃线程获取到锁。

1、shouldParkAfterFailedAcquire()方法

如果前驱节点不是头结点 或 抢锁失败，需要先调用shouldParkAfterFailedAcquire()方法判断线程是否应该被阻塞？

• 也就是找到一个可靠的（活着有效的）节点，然后将当前线程节点作为其后继节点即可。

// pred为前驱节点，node为当前线程节点
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {

    // 获取前驱节点的状态
  int ws = pred.waitStatus;
  // 如果前驱节点是SIGNAL，此时当前线程节点可以安全的阻塞
  // 为什么可以安全阻塞？  因为SIGNAL状态，代表了上一个线程是活的，它可以通知当前线程节点，所以当前节点是可以安全的阻塞了。
  if (ws == Node.SIGNAL)
    return true;
  if (ws > 0) {

    // 前驱节点是CALLCEL无效节点时，怎么办？  一直往前找，直到找到有效节点。
    do {

      // 取前驱节点的前驱节点，赋值给当前线程节点的前驱节点
      node.prev = pred = pred.prev;
    } while (pred.waitStatus > 0);
    // 更新 新的前驱节点的next指针指向
    pred.next = node;
  } else {

    // 前驱节点是个正常节点时，使用CAS将其变为SIGNAL。
    compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
  }
  return false;
}

2、parkAndCheckInterrupt()方法

如果前驱节点不是头结点 或 抢锁失败，并且可以阻塞当前线程，则调用parkAndCheckInterrupt()方法以响应式中断的方法阻塞当前线程。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {

    LockSupport.park(this);
    // 判断是否是通过中断的方式来唤醒。 包括：1、unpark 2、interrupt
    return Thread.interrupted();
}

2、release()释放互斥锁

public final boolean release(int arg) {

    // 子类尝试释放锁
    if (tryRelease(arg)) {

        Node h = head;
        if (h != null // 
            && h.waitStatus != 0) // 那就是h的状态为SINGAL
            // 唤醒阻塞队列中的后继线程
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

// 子类实现释放锁的逻辑，AQS并不知道。
protected boolean tryRelease(int arg) {

    throw new UnsupportedOperationException();
}

1、unparkSuccessor()方法

该方法用于释放node节点后的有效后继节点，即：从node节点开始往后找到有效后继节点，唤醒。

找后继节点时，如果后继节点是个无效节点，需要从tail开始往前遍历找到第一有效的后继节点。

因为因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以可能有一瞬间遍历不到新的tail节点。

private void unparkSuccessor(Node node) {

  // 获取当前节点（head）的状态
  int ws = node.waitStatus;
  // ws的状态为SIGNAL
  if (ws < 0)
    // CAS将其变为0,代表了我当前已经响应了这一次的唤醒操作
    compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

  // 取当前节点的后继节点，作为唤醒节点；但是注意条件
  Node s = node.next;
  if (s == null // 为什么后继节点可能为nul？因为我们往阻塞队列中添加线程节点时，首先更新的是tail引用，然后将旧的tail.next指向新tail，所以有可能一瞬间为空。
      || s.waitStatus > 0) {

      // 后继节点是个无效节点！
    // 将后继节点设置为空
    s = null;
    // 因为tail引用一定是最新的引用，所以从后往前找，一定能找到 第一个(node节点的第一个后继) 有效节点
    for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
      if (t.waitStatus <= 0)
        // 更新后继节点
        s = t;
  }
  // 此时的s就是要唤醒的节点
  if (s != null)
    // 唤醒后继节点
    LockSupport.unpark(s.thread);
}

3、acquireShared()获取共享锁

public final void acquireShared(int arg) {

    // 由子类判断是否获取锁成功，若不成功？则该阻塞阻塞去，<0表示获取锁失败
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 阻塞当前线程节点
        doAcquireShared(arg);
}

// 由子类实现获取锁的逻辑，返回值表示还剩几个可以获取的锁资源
protected int tryAcquireShared(int arg) {

    throw new UnsupportedOperationException();
}

1、doAcquireShared()方法

获取共享锁失败后，首先调用doAcquireShared()方法，阻塞当前线程节点；其中包括：

1. 和tryAcquire()方法一样的调用addWaiter()方法，通过CAS把当前线程节点封装成Node阻塞节点，放到AQS的阻塞队列中；只是这里Node节点的类型是SHARED。
2. 和tryAcquire()方法类似，尝试获取共享锁；
3. 继续往下走，如果线程获取锁失败，则采用响应中断的方式使用LockSupport.park(this)方法阻塞当前线程。
4. 最后，如果在尝试获取锁的过程中失败，则调用cancelAcquire()方法取消当前线程尝试获取共享锁的操作。

private void doAcquireShared(int arg) {

    // 和互斥锁一样，只是这里的是共享模式
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {

        boolean interrupted = false;
        for (;;) {

            // 前驱节点是head节点时，可能头结点很快就释放锁了，尝试获取锁
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {

                int r = tryAcquireShared(arg);
                // 获取锁成功；尝试唤醒后面的共享节点，因为共享锁是可以多线程共享的
                if (r >= 0) {

                    // 将当前节点更新为head节点，然后唤醒后继节点
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    // p.next指针已经没有用了
                    p.next = null; // help GC
                    // 如果在等待过程中发生了中断，由于中断被唤醒，则会置位当前线程的中断标志位。
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 判断是否应该阻塞获取锁失败的线程节点？因为有可能上一瞬间抢锁失败，但是到这的时候头结点已经释放了锁。
                parkAndCheckInterrupt()) // 以响应中断的方式阻塞当前线程节点
                interrupted = true;
        }
    } finally {

        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

1、setHeadAndPropagate()方法

获取共享锁成功后，会调用setHeadAndPropagate()方法将当前节点更新为head节点，并唤醒后继节点；

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {

    // 保存旧head结点的快照
    Node h = head;
    setHead(node);
    if (propagate > 0 // 信号量有多余，则直接唤醒
        || h == null // 不可能发生
        || h.waitStatus < 0 // SIGNAL，表明必须唤醒后继节点，则直接唤醒
        || (h = head) == null // 不可能发生，但是将最新的head节点引用赋给h是有意义的
        || h.waitStatus < 0) {

      // SIGNAL，表明必须唤醒后继节点，则直接唤醒
        // 最新head节点的后继节点
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

在调用setHeadAndPropagate()方法将当前节点更新为head节点，并唤醒后继节点时，如果当前节点没有后继节点了，则调用doReleaseShared()方法释放共享锁；

doReleaseShared()方法在下面的releaseShared()方法中解析

4、releaseShared()释放共享锁

public final boolean releaseShared(int arg) {

    // tryReleaseShared方法由子类实现
    if (tryReleaseShared(arg)) {

        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

1、doReleaseShared()方法

private void doReleaseShared() {

    // 
    for (;;) {

        // 保存head节点快照
        Node h = head;
        // 头结点不为null 并且头节点不等于尾节点，说明链表中还有等待节点
        if (h != null && h != tail) {

            // 理应要唤醒后面的节点，因为SIGNAL的语义就是必须要唤醒后面的节点
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {

                // CAS将线程节点状态由SINGNAL改为0，表示唤醒成功，如果唤醒失败呢？
                // 唤醒失败，表明多个线程想同时释放共享锁，都需要唤醒后继节点，此时state的状态为2 表示可用资源数为2，需要唤醒后面两个等待的共享节点；失败就重试
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 唤醒后继节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) // Node.PROPAGATE = -3，如CAS成功，表明线程A释放了一个共享锁唤醒了线程C，且线程C还没有将head节点更新到C上，B线程通过doReleaseShared()又释放了一个共享锁，释放锁的过程中发现head节点B的状态是0，这时就会将head节点B的状态设置为PROPAGATE状态。
                // 假如没有这个else if片段，B就不会唤醒D。感觉我有两个信号量，然而只有一个C运行了，D木得了。
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        // 头结点没有被改变过，且h != null && h != tail 成功，退出循环
        if (h == head)
            break;
    }
}

5、acquireInterruptibly()以响应中断的方式获取互斥锁

public final void acquireInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {

    // 就比正常的多这一步，如果线程被中断了，直接抛出异常返回
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        doAcquireInterruptibly(arg);
}

总结

子类只需要实现自己的获取锁逻辑和释放锁逻辑即可，至于排队阻塞等待、唤醒机制均由AQS完成。