Java并发工具AbstractQueuedSynchronizer实现详解

本文主要是介绍Java并发工具AbstractQueuedSynchronizer实现详解，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

AbstractQueuedSynchronizer（以下简称AQS或AQS锁）是ReentrantLock的底层实现，它提供了自旋、FIFO线程等待队列和阻塞等功能。Java常见并发同步工具如Semaphore、CountDownLatch、ReentrantLock等都是基于AQS实现的。

AQS的实现要点总结如下：

1. 用一个原子int变量代表同步状态

AQS内部有一个原子int变量（命名为state），它是AQS的核心状态，也是唯一跟同步有关的变量。例如，ReentrantLock中state≠0表示锁已被占，state=0表示锁空闲。AQS的子类负责赋予state具体含义，通过覆写tryAcquire(), tryRelease(), tryAcquireShared(), tryReleaseShared(), isHeldExclusively()来通过以乐观锁方式对state进行操作。并且，state只允许通过getState(), setState(), compareAndSetState()对其操作以保证可见性和原子性。

2. 用一个CLH队列存放等待线程，每个线程一个结点，分独占模式和共享模式。

CLH队列（其实是CLH队列的变种）是用于实现自旋锁的队列数据结构，主体是一个链表，如下图所示。

CLH队列

在CLH队列中，每个线程的等待状态（waitState变量）保存在前一个结点中，取值可以是 1 (CANCELED，线程已经放弃等待)，-1（SIGNAL，线程已经被阻塞、需要被唤醒），-2（CONDITION，线程在条件队列中等待，这种状态的结点不可能出现在CLH队列，只会出现在Condition条件队列上），-3(PROPAGATE，下一个在共享模式中等待的线程无条件唤醒，即唤醒动作可以继续往队列后面接力)，0（就绪，这个状态代表线程没有被阻塞，并且准备好请求锁）。

3. 通过循环+CAS操作来对CLH队列进行修改

因为AQS本身就是用于实现锁的，所以AQS中的CLH队列没有锁来保护，且必须支持并发修改。怎么办？通过循环结合CAS操作来实现CLH队列操作的线程安全性。例如enq()，

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; } } }}

4. 加锁操作如何实现

与CLH队列操作很类似，加锁操作也是通过循环+CAS操作来实现，不过还使用到了让线程阻塞的方法LockSupport.park()。我们以不可中断的加锁操作为例，讲解其主要实现逻辑如下：在一个死循环中，首先调用乐观锁加锁操作 tryAcquire()，如果成功，则加锁操作直接返回；如果失败了，则判断当前线程结点的前一结点的waitState：如果等于SIGNAL，则直接进入阻塞（说明此时已经有前一个结点得到锁了），如果是CANCELED，则清理一次CLH队列（把已经取消等待的线程中队列中移除）再次执行循环，如果是0或PROPAGATION，则把状态改为SIGNAL，继续执行循环。如果前面的阻塞操作被其他线程唤醒了，再次执行循环。参考代码：

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);
 }
}

加锁操作其实有计时版本、可中断版本，但大体逻辑就是上面这样，只不过在循环中再进行了一些时间判断、中断标志判断等，并体现在返回结果或抛出异常上。

总结一下，AQS的加锁操作就是在一个循环中，不断执行CAS加锁（成功则返回，失败则继续），然后不断阻塞和被唤醒（在每次被唤醒的时候，顺便执行一些CLH队列清理工作），再次执行CAS加锁。

5. 加锁操作优化

AQS中的加锁操作，即acquire()，进行了一种barge优化。意思就是，当锁被释放出来以后，此时正好有一个线程请求锁，而队列中的第一个线程也被唤醒并且请求锁，这两个线程谁将获得锁是不确定的。这种优化对AQS锁的并发性有提升，但是使得它变成不公平的锁（没有按照FIFO原则操作）。

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

6. 解锁操作如何实现

解锁操作的实现比较简单，先调用一个在子类中实现的CAS解锁操作(tryRelease)，如果成功，则把队列中的第一个结点移出队列，判断是否需要唤醒下一个线程，需要则唤醒。

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

总结

以上基本把AQS的主要实现逻辑总结完了。AQS的主体逻辑是用循环+CAS操作CLH队列，保证并发访问CLH队列的线程安全性。AQS加锁（支持阻塞）和AQS解锁操作依赖在子类中实现的不支持阻塞的CAS加锁操作（tryAcquire）和CAS解锁操作(tryRelease)实现。加锁操作也是在一个循环中，不断调用tryAcquire实现CAS加锁操作、阻塞唤醒，直到tryAcquire成功或者线程主动取消等待。 

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