--- category: - Java核心 - 并发编程 tag: - Java --- # Java并发AQS详解 ## AQS简介 **AQS**是`AbstractQueuedSynchronizer`的简称，即`抽象队列同步器`，从字面意思上理解: - 抽象：抽象类，只实现一些主要逻辑，有些方法由子类实现； - 队列：使用先进先出（FIFO）队列存储数据； - 同步：实现了同步的功能。 那AQS有什么用呢？AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。 当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器，只要子类实现它的几个`protected`方法就可以了，在下文会有详细的介绍。 ## AQS的数据结构 AQS内部使用了一个volatile的变量state来作为资源的标识。同时定义了几个获取和改变state的protected方法，子类可以覆盖这些方法来实现自己的逻辑： ```java getState() setState() compareAndSetState() ``` 这三种操作均是原子操作，其中compareAndSetState的实现依赖于Unsafe的compareAndSwapInt()方法。 而AQS类本身实现的是一些排队和阻塞的机制，比如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）。它内部使用了一个先进先出（FIFO）的双端队列，并使用了两个指针head和tail用于标识队列的头部和尾部。其数据结构如图： ![](http://cdn.tobebetterjavaer.com/tobebetterjavaer/images/thread/aqs-c294b5e3-69ef-49bb-ac56-f825894746ab.png) 但它并不是直接储存线程，而是储存拥有线程的Node节点。 ## 资源共享模式 资源有两种共享模式，或者说两种同步方式： - 独占模式（Exclusive）：资源是独占的，一次只能一个线程获取。如ReentrantLock。 - 共享模式（Share）：同时可以被多个线程获取，具体的资源个数可以通过参数指定。如Semaphore/CountDownLatch。 一般情况下，子类只需要根据需求实现其中一种模式，当然也有同时实现两种模式的同步类，如`ReadWriteLock`。 AQS中关于这两种资源共享模式的定义源码（均在内部类Node中）。我们来看看Node的结构： ```java static final class Node { // 标记一个结点（对应的线程）在共享模式下等待 static final Node SHARED = new Node(); // 标记一个结点（对应的线程）在独占模式下等待 static final Node EXCLUSIVE = null; // waitStatus的值，表示该结点（对应的线程）已被取消 static final int CANCELLED = 1; // waitStatus的值，表示后继结点（对应的线程）需要被唤醒 static final int SIGNAL = -1; // waitStatus的值，表示该结点（对应的线程）在等待某一条件 static final int CONDITION = -2; /*waitStatus的值，表示有资源可用，新head结点需要继续唤醒后继结点（共享模式下，多线程并发释放资源，而head唤醒其后继结点后，需要把多出来的资源留给后面的结点；设置新的head结点时，会继续唤醒其后继结点）*/ static final int PROPAGATE = -3; // 等待状态，取值范围，-3，-2，-1，0，1 volatile int waitStatus; volatile Node prev; // 前驱结点 volatile Node next; // 后继结点 volatile Thread thread; // 结点对应的线程 Node nextWaiter; // 等待队列里下一个等待条件的结点 // 判断共享模式的方法 final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } // 其它方法忽略，可以参考具体的源码 } // AQS里面的addWaiter私有方法 private Node addWaiter(Node mode) { // 使用了Node的这个构造函数 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 其它代码省略 } ``` > 注意：通过Node我们可以实现两个队列，一是通过prev和next实现CLH队列(线程同步队列,双向队列)，二是nextWaiter实现Condition条件上的等待线程队列(单向队列)，这个Condition主要用在ReentrantLock类中。 ## AQS的主要方法源码解析 AQS的设计是基于**模板方法模式**的，它有一些方法必须要子类去实现的，它们主要有： - 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。 这些方法虽然都是`protected`方法，但是它们并没有在AQS具体实现，而是直接抛出异常（这里不使用抽象方法的目的是：避免强迫子类中把所有的抽象方法都实现一遍，减少无用功，这样子类只需要实现自己关心的抽象方法即可，比如 Semaphore 只需要实现 tryAcquire 方法而不用实现其余不需要用到的模版方法）： ```java protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } ``` 而AQS实现了一系列主要的逻辑。下面我们从源码来分析一下获取和释放资源的主要逻辑： ### 获取资源 获取资源的入口是acquire(int arg)方法。arg是要获取的资源的个数，在独占模式下始终为1。我们先来看看这个方法的逻辑： ```java public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } ``` 首先调用tryAcquire(arg)尝试去获取资源。前面提到了这个方法是在子类具体实现的。 如果获取资源失败，就通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法把这个线程插入到等待队列中。其中传入的参数代表要插入的Node是独占式的。这个方法的具体实现： ```java private Node addWaiter(Node mode) { // 生成该线程对应的Node节点 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 将Node插入队列中 Node pred = tail; if (pred != null) { node.prev = pred; // 使用CAS尝试，如果成功就返回 if (compareAndSetTail(pred, node)) { pred.next = node; return node; } } // 如果等待队列为空或者上述CAS失败，再自旋CAS插入 enq(node); return node; } // 自旋CAS插入等待队列 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; } } } } ``` > 上面的两个函数比较好理解，就是在队列的尾部插入新的Node节点，但是需要注意的是由于AQS中会存在多个线程同时争夺资源的情况，因此肯定会出现多个线程同时插入节点的操作，在这里是通过CAS自旋的方式保证了操作的线程安全性。 OK，现在回到最开始的aquire(int arg)方法。现在通过addWaiter方法，已经把一个Node放到等待队列尾部了。而处于等待队列的结点是从头结点一个一个去获取资源的。具体的实现我们来看看acquireQueued方法 ```java final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; // 自旋 for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // 如果node的前驱结点p是head，表示node是第二个结点，就可以尝试去获取资源了 if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 拿到资源后，将head指向该结点。 // 所以head所指的结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。 setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark() if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } ``` > 这里parkAndCheckInterrupt方法内部使用到了LockSupport.park(this)，顺便简单介绍一下park。 > > LockSupport类是Java 6 引入的一个类，提供了基本的线程同步原语。LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数，归结到Unsafe里，只有两个函数： > > - park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞当前线程 > - unpark(Thread jthread)：使给定的线程停止阻塞 所以**结点进入等待队列后，是调用park使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于活跃状态的**。 当然，获取资源的方法除了acquire外，还有以下三个： - acquireInterruptibly：申请可中断的资源（独占模式） - acquireShared：申请共享模式的资源 - acquireSharedInterruptibly：申请可中断的资源（共享模式） > 可中断的意思是，在线程中断时可能会抛出`InterruptedException` 总结起来的一个流程图： ![acquire流程](http://cdn.tobebetterjavaer.com/tobebetterjavaer/images/thread/aqs-a0689bb2-9b18-419d-9617-6d292fbd439d.jpg) ## 释放资源 释放资源相比于获取资源来说，会简单许多。在AQS中只有一小段实现。源码： ```java public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } private void unparkSuccessor(Node node) { // 如果状态是负数，尝试把它设置为0 int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 得到头结点的后继结点head.next Node s = node.next; // 如果这个后继结点为空或者状态大于0 // 通过前面的定义我们知道，大于0只有一种可能，就是这个结点已被取消 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 等待队列中所有还有用的结点，都向前移动 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 如果后继结点不为空， if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); } ``` --- >编辑：沉默王二，内容大部分来源以下三个开源仓库： >- [深入浅出 Java 多线程](http://concurrent.redspider.group/) >- [并发编程知识总结](https://github.com/CL0610/Java-concurrency) >- [Java八股文](https://github.com/CoderLeixiaoshuai/java-eight-part)