AQS 自定义同步锁，挺难的！

2020 年 10 月 25 日
笔记
AQS, Java并发, 后端知识

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。

AbstractQueuedSynchronizer 同步状态

AbstractQueuedSynchronizer 内部有一个state属性，用于指示同步的状态：

private volatile int state;

state的字段是个int型的，它的值在AbstractQueuedSynchronizer中是没有具体的定义的，只有子类继承AbstractQueuedSynchronizer那么state才有意义，如在ReentrantLock中，state=0表示资源未被锁住，而state>=1的时候，表示此资源已经被另外一个线程锁住。

AbstractQueuedSynchronizer中虽然没有具体获取、修改state的值，但是它为子类提供一些操作state的模板方法：

获取状态

    protected final int getState() {
        return state;
    }

更新状态

    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

CAS更新状态

    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

AQS 等待队列

AQS 等待列队是一个双向队列，队列中的成员都有一个prev和next成员，分别指向它前面的节点和后面的节点。

队列节点

在AbstractQueuedSynchronizer内部，等待队列节点由内部静态类Node表示：

static final class Node {
	...
}

节点模式

队列中的节点有两种模式：

独占节点：同一时刻只能有一个线程访问资源，如ReentrantLock
共享节点：同一时刻允许多个线程访问资源，如Semaphore

节点的状态

等待队列中的节点有五种状态：

CANCELLED：此节点对应的线程，已经被取消
SIGNAL：此节点的下一个节点需要一个唤醒信号
CONDITION：当前节点正在条件等待
PROPAGATE：共享模式下会传播唤醒信号，就是说当一个线程使用共享模式访问资源时，如果成功访问到资源，就会继续唤醒等待队列中的线程。

自定义同步锁

为了便于理解，使用AQS自己实现一个简单的同步锁，感受一下使用AQS实现同步锁是多么的轻松。

下面的代码自定了一个CustomLock类，继承了AbstractQueuedSynchronizer，并且还实现了Lock接口。
CustomLock类是一个简单的可重入锁，类中只需要重写AbstractQueuedSynchronizer中的tryAcquire与tryRelease方法，然后在修改少量的调用就可以实现一个最基本的同步锁。

public class CustomLock extends AbstractQueuedSynchronizer implements Lock {

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
    
        int state = getState();
        if(state == 0){
            if( compareAndSetState(state, arg)){
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "拿到了锁");
                return true;
            }
        }else if(getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()){
            int nextState = state + arg;
            setState(nextState);
            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "重入");
            return true;
        }

        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {

        int state = getState() - arg;

        if(getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()){
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }

        boolean free = false;
        if(state == 0){
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
        }

        setState(state);

        return free;
    }


    @Override
    public void lock() {
        acquire(1);
    }
 

  
    @Override
    public void unlock() {
        release(1);
    }
    ...
}

CustomLock是实现了Lock接口，所以要重写lock和unlock方法，不过方法的代码很少只需要调用AQS中的acquire和release。

然后为了演示AQS的功能写了一个小演示程序，启动两根线程，分别命名为线程A和线程B，然后同时启动，调用runInLock方法，模拟两条线程同时访问资源的场景：

public class CustomLockSample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Lock lock = new CustomLock();
        new Thread(()->runInLock(lock), "线程A").start();
        new Thread(()->runInLock(lock), "线程B").start();
    }

    private static void runInLock(Lock lock){

        try {
            lock.lock();
            System.out.println("Hello: " + Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }

    }
}

访问资源（acquire）

在CustomLock的lock方法中，调用了 acquire(1)，acquire的代码如下：

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

CustomLock.tryAcquire(…)：CustomLock.tryAcquire 判断当前线程是否能够访问同步资源
addWaiter(…)：将当前线程添加到等待队列的队尾，当前节点为独占模型（Node.EXCLUSIVE）
acquireQueued(…)：如果当前线程能够访问资源，那么就会放行，如果不能那当前线程就需要阻塞。
selfInterrupt：设置线程的中断标记

注意： 在acquire方法中，如果tryAcquire(arg)返回true, 就直接执行完了，线程被放行了。所以的后面的方法调用acquireQueued、addWaiter都是tryAcquire(arg)返回false时才会被调用。

tryAcquire 的作用

tryAcquire在AQS类中是一个直接抛出异常的实现：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

而在我们自定义的 CustomLock 中，重写了此方法：

  @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {

        int state = getState();
        if(state == 0){
            if( compareAndSetState(state, arg)){
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "拿到了锁");
                return true;
            }
        }else if(getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()){
            int nextState = state + arg;
            setState(nextState);
            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "重入");
            return true;
        }

        return false;
    }

tryAcquire方法返回一个布而值，true表示当前线程能够访问资源，false当前线程不能访问资源，所以tryAcquire的作用：决定线程是否能够访问受保护的资源。tryAcquire里面的逻辑在子类可以自由发挥，AQS不关心这些，只需要知道能不能访问受保护的资源，然后来决定线程是放行还是进行等待队列（阻塞）。

因为是在多线程环境下执行，所以不同的线程执行tryAcquire时会返回不同的值，假设线程A比线程B要快一步，先到达compareAndSetState设置state的值成员并成功，那线程A就会返回true，而 B 由于state的值不为0或者compareAndSetState执行失败，而返回false。

线程B 抢占锁流程

上面访问到线程A成功获得了锁，那线程B就会抢占失败，接着执行后面的方法。

线程的入队

线程的入队是逻辑是在addWaiter方法中，addWaiter方法的具体逻辑也不需要说太多，如果你知道链表的话，就非常容易理解了，最终的结果就是将新线程添加到队尾。AQS的中有两个属性head、tail分别指定等待队列的队首和队尾。

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

  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;
                }
            }
        }
    }

需要注意的是在enq方法中，初始化队列的时候，会新建一个Node做为head和tail，然后在之后的循环中将参数node添加到队尾，队列初始化完后，里面会有两个节点，一个是空的结点new Node()另外一个就是对应当前线程的结点。

由于线程A在tryAcquire时返回了true，所以它会被直接放行，那么只有B线程会进入addWaiter方法，此时的等待队列如下：

注意： 等待队列内的节点都是正在等待资源的线程，如果一个线程直接能够访问资源，那它压根就不需要进入等待队列，会被放行。

线程B 的阻塞

线程B被添加到等待队列的尾部后，会继续执行acquireQueued方法，这个方法就是AQS阻塞线程的地方，acquireQueued方法代码的一些解释：

外面是一个for (;;)无限循环，这个很重要
会重新调用一次tryAcquire(arg)判断线程是否能够访问资源了
node.predecessor()获取参数node的前一个节点
shouldParkAfterFailedAcquire判断当前线程获取锁失败后，需不需要阻塞
parkAndCheckInterrupt()使用LockSupport阻塞当前线程，

 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;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

shouldParkAfterFailedAcquire 判断是否要阻塞

shouldParkAfterFailedAcquire接收两个参数：前一个节点、当前节点，它会判断前一个节点的waitStatus属性，如果前一个节点的waitStatus=Node.SIGNAL就会返回true：

 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        if (ws > 0) {
           do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

acquireQueued方法在循环中会多次调用shouldParkAfterFailedAcquire，在等待队列中节点的waitStatus的属性默认为0，所以第一次执行shouldParkAfterFailedAcquire会执行：

compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

更新完pred.waitStatus后，节点的状态如下：

然后shouldParkAfterFailedAcquire返回false，回到acquireQueued的循环体中，又去抢锁还是失败了，又会执行shouldParkAfterFailedAcquire，第二次循环时此时的pred.waitStatus等于Node.SIGNAL那么就会返回true。

parkAndCheckInterrupt 阻塞线程

这个方法就比较直观了，就是将线程的阻塞住：

  private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

为什么是一个`for (;;)`无限循环呢

先看一个for (;;)的退出条件，只有node的前一个节点是head并且tryAcquire返回true时才会退出循环，否则的话线程就会被parkAndCheckInterrupt阻塞。

线程被parkAndCheckInterrupt阻塞后就不会向下面执行了，但是等到它被唤醒后，它还在for (;;)体中，然后又会继续先去抢占锁，然后如果还是失败，那又会处于等待状态，所以一直循环下去，就只有两个结果：

抢到锁退出循环
抢占锁失败，等待下一次唤醒再次抢占锁

线程 A 释放锁

线程A的业务代码执行完成后，会调用CustomLock.unlock方法，释放锁。unlock方法内部调用的release(1)：

     public void unlock() {
        release(1);
    }

release是AQS类的方法，它跟acquire相反是释放的意思：

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

方法体中的tryRelease是不是有点眼熟，没错，它也是在实现CustomLock类时重写的方法，首先在tryRelease中会判断当前线程是不是已经获得了锁，如果没有就直接抛出异常，否则的话计算state的值，如果state为0的话就可以释放锁了。

 protected boolean tryRelease(int arg) {

        int state = getState() - arg;

        if(getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()){
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }

        boolean free = false;
        if(state == 0){
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
        }

        setState(state);

        return free;
    }

release方法只做了两件事：

调用tryRelease判断当前线程释放锁是否成功
如果当前线程锁释放锁成功，唤醒其他线程（也就是正在等待中的B线程）

tryRelease返回true后，会执行if里面的代码块：

if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }

先回顾一下现在的等待队列的样子：

根据上面的图，来走下流程：

首先拿到head属性的对象，也就是队列的第一个对象
判断head不等于空，并且waitStatus!=0，很明显现在的waitStatus是等于Node. SIGNAL的，它的值是-1

所以if (h != null && h.waitStatus != 0)这个if肯定是满足条件的，接着执行unparkSuccessor(h)：

   private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
       
        Node s = node.next;
        
        ...
        
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

unparkSuccessor首先将node.waitStatus设置为0，然后获取node的下一个节点，最后调用LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程，至此我们的B线程就被唤醒了。

此时的队列又回到了，线程B刚刚入队的样子：

线程B 唤醒之后

线程A释放锁后，会唤醒线程B，回到线程B的阻塞点，acquireQueued的for循环中：

  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;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

线程唤醒后的第一件事就是，拿到它的上一个节点（当前是head结点），然后使用if判断

if (p == head && tryAcquire(arg))

根据现在等待队列中的节点状态，p == head是返回true的，然后就是tryAcquire(arg)了，由于线程A已经释放了锁，那现在的线程B自然就能获取到锁了，所以tryAcquire(arg)也会返回true。

设置队列头

线路B拿到锁后，会调用setHead(node)自己设置为队列的头：

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

调用setHead(node)后队列会发生些变化：

移除上一个节点

setHead(node)执行完后，接着按上一个节点完全移除：

p.next = null;

此时的队列：

线程B 释放锁

线程B 释放锁的流程与线程A基本一致，只是当前队列中已经没有需要唤醒的线程，所以不需要执行代码去唤醒其他线程：

if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }

h != null && h.waitStatus != 0这里的h.waitStatus已经是0了，不满足条件，不会去唤醒其他线程。

总结

文中通过自定义一个CustomLock类，然后通过查看AQS源码来学习AQS的部分原理。通过完整的走完锁的获取、释放两个流程，加深对AQS的理解，希望对大家有所帮助。

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Tags: AQS Java并发后端知识