硬核剖析Java鎖底層AQS源碼，深入理解底層架構設計

来源:https://www.cnblogs.com/yidengjiagou/archive/2022/11/11/16879681.html
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我們常見的併發鎖ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基於AQS實現的，所以說不懂AQS實現原理的，就不能說瞭解Java鎖。 上篇文章講了AQS的加鎖流程，這篇文章再一塊看一下AQS具體源碼實現。 ...


我們常見的併發鎖ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基於AQS實現的，所以說不懂AQS實現原理的，就不能說瞭解Java鎖。

上篇文章講了AQS的加鎖流程，這篇文章再一塊看一下AQS具體源碼實現。

先回顧一下AQS的加鎖流程

1. AQS加鎖流程

image

AQS的加鎖流程並不複雜，只要理解了同步隊列和條件隊列，以及它們之間的數據流轉，就算徹底理解了AQS。

  1. 當多個線程競爭AQS鎖時，如果有個線程獲取到鎖，就把ower線程設置為自己
  2. 沒有競爭到鎖的線程，在同步隊列中阻塞（同步隊列採用雙向鏈表，尾插法）。
  3. 持有鎖的線程調用await方法，釋放鎖，追加到條件隊列的末尾（條件隊列採用單鏈表，尾插法）。
  4. 持有鎖的線程調用signal方法，喚醒條件隊列的頭節點，並轉移到同步隊列的末尾。
  5. 同步隊列的頭節點優先獲取到鎖

瞭解AQS加鎖流程之後，再去看源碼就容易理解了。

2. AQS的數據結構

// 繼承自AbstractOwnableSynchronizer，為了記錄哪個線程占用鎖
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
  
    // 同步狀態，0表示無鎖，每次加鎖+1，釋放鎖-1
    private volatile int state;

    // 同步隊列的頭尾節點
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;

    // Node節點，用來包裝線程，放到隊列中
    static final class Node {
        // 節點中的線程
        volatile Thread thread;

        // 節點狀態
        volatile int waitStatus;

        // 同步隊列的前驅節點和後繼節點
        volatile Node prev;
        volatile Node next;

        // 條件隊列的後繼節點
        Node nextWaiter;
    }

    // 條件隊列
    public class ConditionObject implements Condition {
        // 條件隊列的頭尾節點
        private transient Node firstWaiter;
        private transient Node lastWaiter;
    }
}

首先AQS繼承自AbstractOwnableSynchronizer，其實是為了記錄哪個線程正在占用鎖。

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer {

    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

    // 設置占用鎖的線程
    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
        return exclusiveOwnerThread;
    }
}

無論是同步隊列還是條件隊列中線程都需要包裝成Node節點。

image

雖然同步隊列和條件隊列都是由Node節點組成的，但是同步隊列中是使用prev和next組成雙向鏈表，nextWaiter只用來表示是共用模式還是排他模式。

條件隊列沒有使用到Node中prev和next屬性，而是使用nextWaiter組成單鏈表。

這個復用對象的設計思想值得我們學習。

同步隊列head節點是個啞節點，裡面並沒有存儲線程對象。當然head節點也可以看成是給當前持有鎖的線程使用的。

Node節點的狀態（waitStatus）共有5種：

  • 1 cancelled：表示線程已經被取消
  • 0 初始化：Node節點的預設值
  • -1 signal: 表示節點線程在釋放鎖後要喚醒同步隊列中的下一個節點線程
  • -2 condition: 當前節點在條件隊列中
  • -3 propagate: 釋放共用資源的時候會向後傳播釋放其他共用節點(用於共用模式)

3. AQS方法概覽

AQS支持獨占和共用兩種訪問資源的模式（獨占模式又叫排他模式）。

獨占模式的方法：

// 加鎖
acquire();
// 加可中斷的鎖
acquireInterruptibly();
// 一段時間內，加鎖不成功，就不加了
tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 釋放鎖
release();

共用模式的方法：

// 加鎖
acquireShared();
// 加可中斷的鎖
acquireSharedInterruptibly();
// 一段時間內，加鎖不成功，就不加了
tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout);
// 釋放鎖
releaseShared();

獨占模式和共用模式的方法並沒有實現具體的加鎖、釋放鎖邏輯，AQS中只是定義了加鎖、釋放鎖的抽象方法。

留給子類實現的抽象方法：

// 加獨占鎖
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放獨占鎖
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 加共用鎖
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
// 釋放共用鎖
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// 判斷是否是當前線程正在持有鎖
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

這裡就用到了設計模式中的模板模式，父類AQS定義了加鎖、釋放鎖的流程，子類ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier負責實現具體的加鎖、釋放鎖邏輯。

這不是個面試知識點嗎？

面試官再問你，你看過哪些框架源碼使用到了設計模式？

你就可以回答AQS源碼中用到了模板模式，巴拉巴拉，妥妥的加分項！

image

4. AQS源碼剖析

整個加鎖流程如下：

image

先看一下加鎖方法的源碼：

4.1 加鎖

// 加鎖方法，傳參是1
public final void acquire(int arg) {
    // 1. 首先嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則設置state+1，exclusiveOwnerThread=currentThread（留給子類實現）
    if (!tryAcquire(arg) &&
            // 2. 如果沒有獲取成功，把線程組裝成Node節點，追加到同步隊列末尾
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
        // 3. 加入同步隊列後，將自己掛起
        selfInterrupt();
    }
}

再看一下addWaiter方法源碼，作用就是把線程組裝成Node節點，追加到同步隊列末尾。

// 追加到同步隊列末尾，傳參是共用模式or排他模式
private Node addWaiter(Node mode) {
    // 1. 組裝成Node節點
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        // 2. 在多線程競爭不激烈的情況下，通過CAS方法追加到同步隊列末尾
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 3. 在多線程競爭激烈的情況下，使用死迴圈保證追加到同步隊列末尾
    enq(node);
    return node;
}

// 創建Node節點，傳參是線程，共用模式or排他模式
Node(Thread thread, Node mode) {
  	this.thread = thread;
    this.nextWaiter = mode;
}

// 通過死迴圈的方式，追加到同步隊列末尾
private Node enq(final Node node) {
    for (; ; ) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

再看一下addWaiter方法外層的acquireQueued方法，作用就是：

  1. 在追加到同步隊列末尾後，再判斷一下前驅節點是不是頭節點。如果是，說明是第一個加入同步隊列的，就再去嘗試獲取鎖。
  2. 如果獲取鎖成功，就把自己設置成頭節點。
  3. 如果前驅節點不是頭節點，或者獲取鎖失敗，就逆序遍歷同步隊列，找到可以將自己喚醒的節點。
  4. 最後才放心地將自己掛起
// 追加到同步隊列末尾後，再次嘗試獲取鎖
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (; ; ) {
            // 1. 找到前驅節點
            final Node p = node.predecessor();
            // 2. 如果前驅節點是頭結點，就再次嘗試獲取鎖
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                // 3. 獲取鎖成功後，把自己設置為頭節點
                setHead(node);
                p.next = null;
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            // 4. 如果還是沒有獲取到鎖，找到可以將自己喚醒的節點
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // 5. 最後才放心地將自己掛起
                    parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

再看一下shouldParkAfterFailedAcquire方法，是怎麼找到將自己喚醒的節點的？為什麼要找這個節點？

// 加入同步隊列後，找到能將自己喚醒的節點
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    // 1. 如果前驅節點的狀態已經是SIGNAL狀態（釋放鎖後，需要喚醒後繼節點），就無需操作了
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    // 2. 如果前驅節點的狀態是已取消，就繼續向前遍歷
    if (ws > 0) {
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 3. 找到了不是取消狀態的節點，把該節點狀態設置成SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

從代碼中可以很清楚的看到，目的就是為了找到不是取消狀態的節點，並把該節點的狀態設置成SIGNAL。

狀態是SIGNAL的節點，釋放鎖後，需要喚醒其後繼節點。

簡單理解就是：小弟初來乍到，特意來知會老大一聲，有好事，多通知小弟。

再看一下釋放鎖的邏輯。

4.2 釋放鎖

釋放鎖的流程如下：

image

釋放鎖的代碼邏輯比較簡單：

// 釋放鎖
public final boolean release(int arg) {
    // 1. 先嘗試釋放鎖，如果時候成功，則設置state-1，exclusiveOwnerThread=null（由子類實現）
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        // 2. 如果同步隊列中還有其他節點，就喚醒下一個節點
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 3. 喚醒其後繼節點
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

再看一下喚醒後繼節點的方法

// 喚醒後繼節點
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    // 1. 如果頭節點不是取消狀態，就重置成初始狀態
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    // 2. 如果後繼節點是null或者是取消狀態
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 3. 從隊尾開始遍歷，找到一個有效狀態的節點
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 3. 喚醒這個有效節點
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

4.3 await等待

await等待的流程：

image

持有鎖的線程可以調用await方法，作用是：釋放鎖，並追加到條件隊列末尾。

// 等待方法
public final void await() throws InterruptedException {
    // 如果線程已中斷，則中斷
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 1. 追加到條件隊列末尾
    Node node = addConditionWaiter();
    // 2. 釋放鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 3. 有可能剛加入條件隊列就被轉移到同步隊列了，如果還在條件隊列，就可以放心地掛起自己
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 4. 如果已經轉移到同步隊列，就嘗試獲取鎖
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        // 5. 清除條件隊列中已取消的節點
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

再看一下addConditionWaiter方法，是怎麼追加到條件隊列末尾的？

// 追加到條件隊列末尾
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // 1. 清除已取消的節點，找到有效節點
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    // 2. 創建Node節點，狀態是-2（表示處於條件隊列）
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    // 3. 追加到條件隊列末尾
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

4.4 signal喚醒

signal喚醒的流程：

image

喚醒條件隊列的頭節點，並追加到同步隊列末尾。

// 喚醒條件隊列的頭節點
public final void signal() {
    // 1. 只有持有鎖的線程才能調用signal方法
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 2. 找到條件隊列的頭節點
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        // 3. 開始喚醒
        doSignal(first);
}

// 實際的喚醒方法
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 4. 從條件隊列中移除頭節點
        if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
        // 5. 使用死迴圈，一定要轉移一個節點到同步隊列
    } while (!transferForSignal(first) &&
            (first = firstWaiter) != null);
}

到底是怎麼轉移到同步隊列末尾的？

// 實際轉移方法
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 1. 把節點狀態從CONDITION改成0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    // 2. 使用死迴圈的方式，追加到同步隊列末尾（前面已經講過）
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    // 3. 把前驅節點狀態設置SIGNAL（通知他，別忘了喚醒老弟）
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

5. 總結

看完整個AQS的源碼，是不是完全理解了AQS加鎖、釋放鎖、以及同步隊列和條件隊列數據流轉的邏輯了。

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連AQS這麼複雜的源碼你都搞清楚了，下篇帶你一塊學習ReentrantLock源碼，應該就輕鬆多了。

我是「一燈架構」，如果本文對你有幫助，歡迎各位小伙伴點贊、評論和關註，感謝各位老鐵，我們下期見

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