【Java并发编程实战】—– AQS(四)：CLH同步队列

在【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：CLH队列锁提过，AQS里面的CLH队列是CLH同步锁的一种变形。

其主要从双方面进行了改造：节点的结构与节点等待机制。在结构上引入了头结点和尾节点，他们分别指向队列的头和尾，尝试获取锁、入队列、释放锁等实现都与头尾节点相关。而且每一个节点都引入前驱节点和后兴许节点的引用；在等待机制上由原来的自旋改成堵塞唤醒。

其结构例如以下：

知道其结构了，我们再看看他的实现。在线程获取锁时会调用AQS的acquire()方法。该方法第一次尝试获取锁假设失败，会将该线程增加到CLH队列中：

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

addWaiter：

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

这是addWaiter()的实现，在厘清这段代码之前我们要先看一个更重要的东东，Node,CLH队列的节点。

其源代码例如以下：

static final class Node {
            /** 线程已被取消 */
            static final int CANCELLED =  1;
            
            /** 当前线程的后继线程须要被unpark(唤醒) */
            static final int SIGNAL    = -1;
            
            /** 线程(处在Condition休眠状态)在等待Condition唤醒 */
            static final int CONDITION = -2;
            
            /** 共享锁 */
            static final Node SHARED = new Node();
            /** 独占锁  */
            static final Node EXCLUSIVE = null;

            volatile int waitStatus;

            /** 前继节点 */
            volatile Node prev;

            /** 后继节点 */
            volatile Node next;
            
            volatile Thread thread;

            Node nextWaiter;

            final boolean isShared() {
                return nextWaiter == SHARED;
            }

           /** 获取前继节点 */
            final Node predecessor() throws NullPointerException {
                Node p = prev;
                if (p == null)
                    throw new NullPointerException();
                else
                    return p;
            }

            /**
             * 三个构造函数
             */
            Node() { 
            }

            Node(Thread thread, Node mode) {   
                this.nextWaiter = mode;
                this.thread = thread;
            }

            Node(Thread thread, int waitStatus) { 
                this.waitStatus = waitStatus;
                this.thread = thread;
            }
        }

在这个源代码中有三个值（CANCELLED、SIGNAL、CONDITION）要特别注意，前面提到过CLH队列的节点都有一个状态位，该状态位与线程状态密切相关：

CANCELLED =  1：由于超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会參与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其它状态。

SIGNAL    = -1：其后继节点已经被堵塞了，到时须要进行唤醒操作；

CONDITION = -2：表示这个结点在条件队列中，由于等待某个条件而被堵塞；

0：新建节点一般都为0。

入列

在线程尝试获取锁的时候，假设失败了须要将该线程增加到CLH队列，入列中的主要流程是：tail运行新建node，然后将node的后继节点指向旧tail值。

注意在这个过程中有一个CAS操作，採用自旋方式直到成功为止。其代码例如以下：

for(;;){
            Node t = tail;
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }

事实上这段代码在enq()方法中存在。

出列

当线程是否锁时，须要进行“出列”。出列的主要工作则是唤醒其后继节点（一般来说就是head节点），让全部线程有序地进行下去：

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

取消

线程由于超时或者中断涉及到取消的操作，假设某个节点被取消了。那个该节点就不会參与到锁竞争其中，它会等待GC回收。取消的主要过程是将取消状态的节点移除掉，移除的过程还是比較简单的。先将其状态设置为CANCELLED,然后将其前驱节点的pred运行其后继节点。当然这个过程仍然会是一个CAS操作：

node.waitStatus = Node.CANCELLED;
Node pred = node.prev;
Node predNext = pred.next;
Node next = node.next;

挂起

我们了解了AQS的CLH队列相比原始的CLH队列锁，它採用了一种变形操作。将自旋机制改为堵塞机制。

当前线程将首先检測是否为头结点且尝试获取锁，假设当前节点为头结点并成功获取锁则直接返回。当前线程不进入堵塞，否则将当前线程堵塞：

for (;;) {
    if (node.prev == head)
if(尝试获取锁成功){
         head=node;
         node.next=null;
         return;
     }
   堵塞线程
}

參考

1、Java并发框架——AQS堵塞队列管理（二）

2、Java并发框架——AQS堵塞队列管理（三）