标签：了解 lock 依赖 interrupt 工作量 openjdk8 功能 需求分析 可重入锁
目录
1.引子
2.AQS架构设计原理
3.AQS源码实现
4.简单应用
5.总结
====正文分割线============
Doug Lea在JSR166中建立了一个小框架，AbstractQueuedSynchronizer同步器框架（AQS）。这个框架为构造同步器提供一种通用的机制，并且被j.u.c包中大部分类使用。
包结构如下图，其中AbstractOwnableSynchronizer是其父类，而AbstractQueuedLongSynchronizer是其32位状态的升级版64位的实现，适用于多级屏障（CyclicBarrier），从JDK6引入。
AQS的继承关系如下图，可见老李头对它多重视了。老李头的论文解析飞机票：《The java.util.concurrent Synchronizer Framework》 JUC同步器框架（AQS框架）原文翻译 。
为了使框架能得到广泛应用，AQS同步器定义两种资源共享方式：
Exclusive：独占模式，同时只有一个线程能执行，如ReentrantLock
Share：共享模式，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。
一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。
自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于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），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
AQS为了实现上述操作，需要下面三个基本组件的相互协作：
state字段， 用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。
如下图：
线程内的工作内存修改数据后会强制刷新到主存中去，且使其他线程中的工作内存中的该变量失效，下次只能从主存读取。实现了多线程数据可见性。
unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); 根据对象的state同步状态偏移量是否和expect值相同，相同则更新。标准的CAS操作。unsafe飞机票：在openjdk8下看Unsafe源码
利用LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 实现线程的阻塞和唤醒(底层调用Unsafe的native park和unpark实现)，同时支持超时时间。
根据论文里描述， AQS 里将阻塞线程封装到一个内部类 Node 里。并维护一个 CHL Node FIFO 队列。 CHL 队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。AQS里的CHL是一个双向链表，数据结构如下图：
本节开始讲解AQS的源码实现。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来。
此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire()的源码：
1 public final void acquire(int arg) {
2 if (!tryAcquire(arg) &&
3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4 selfInterrupt();
5 }
函数流程如下：
这时单凭这4个抽象的函数来看流程还有点朦胧，不要紧，看完接下来的分析后，你就会明白了。就像《大话西游》里唐僧说的：等你明白了舍生取义的道理，你自然会回来和我唱这首歌的。
此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：
1 protected boolean tryAcquire(int arg) {
2 throw new UnsupportedOperationException();
3 }
什么？直接throw异常？说好的功能呢？好吧，还记得概述里讲的AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗？就是这里了！！！AQS这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现了（通过state的get/set/CAS）！！！至于能不能重入，能不能加塞，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了！！！当然，自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。
这里之所以没有定义成abstract，是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。说到底，Doug Lea还是站在咱们开发者的角度，尽量减少不必要的工作量。
此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点。还是上源码吧：
1 private Node addWaiter(Node mode) {
2 //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
3 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
4
5 //尝试快速方式直接放到队尾。
6 Node pred = tail;
7 if (pred != null) {
8 node.prev = pred;
9 if (compareAndSetTail(pred, node)) {
10 pred.next = node;
11 return node;
12 }
13 }
14
15 //上一步失败则通过enq入队。
16 enq(node);
17 return node;
18 }
不用再说了，直接看注释吧。
此方法用于将node加入队尾。源码如下：
1 private Node enq(final Node node) {
2 //CAS"自旋"，直到成功加入队尾
3 for (;;) {
4 Node t = tail;
5 if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。
6 if (compareAndSetHead(new Node()))
7 tail = head;
8 } else {//正常流程，放入队尾
9 node.prev = t;
10 if (compareAndSetTail(t, node)) {
11 t.next = node;
12 return t;
13 }
14 }
15 }
16 }
如果你看过AtomicInteger.getAndIncrement()函数源码，那么相信你一眼便看出这段代码的精华。CAS自旋volatile变量，是一种很经典的用法。还不太了解的，自己去百度一下吧。
OK，通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧：进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事：在等待队列中排队拿号（中间没其它事干可以休息），直到拿到号后再返回。这个函数非常关键，还是上源码吧：
1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
2 boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源
3 try {
4 boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过
5
6 //又是一个“自旋”！
7 for (;;) {
8 final Node p = node.predecessor();//拿到前驱
9 //如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。
10 if (p == head && tryAcquire(arg)) {
11 setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。
12 p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！
13 failed = false;
14 return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过
15 }
16
17 //如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()
18 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
19 parkAndCheckInterrupt())
20 interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true
21 }
22 } finally {
23 if (failed)
24 cancelAcquire(node);
25 }
26 }
到这里了，我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。
此方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以去休息了（进入waiting状态，如果线程状态转换不熟，可以参考本人上一篇写的Thread详解），万一队列前边的线程都放弃了只是瞎站着，那也说不定，对吧！
1 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
2 int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态
3 if (ws == Node.SIGNAL)
4 //如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了
5 return true;
6 if (ws > 0) {
7 /*
8 * 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。
9 * 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！
10 */
11 do {
12 node.prev = pred = pred.prev;
13 } while (pred.waitStatus > 0);
14 pred.next = node;
15 } else {
16 //如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！
17 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
18 }
19 return false;
20 }
整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。
如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。
1 private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
2 LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态
3 return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。
4 }
park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。（再说一句，如果线程状态转换不熟，可以参考本人写的Thread详解）。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。
OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：
OKOK，acquireQueued()分析完之后，我们接下来再回到acquire()！再贴上它的源码吧：
1 public final void acquire(int arg) {
2 if (!tryAcquire(arg) &&
3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4 selfInterrupt();
5 }
再来总结下它的流程吧：
由于此函数是重中之重，我再用流程图总结一下：
至此，acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源码吧，整个函数就是一条acquire(1)！！！
上一小节已经把acquire()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码：
1 public final boolean release(int arg) {
2 if (tryRelease(arg)) {
3 Node h = head;//找到头结点
4 if (h != null && h.waitStatus != 0)
5 unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程
6 return true;
7 }
8 return false;
9 }
逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点！！
此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：
1 protected boolean tryRelease(int arg) {
2 throw new UnsupportedOperationException();
3 }
跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。
此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码：
1 private void unparkSuccessor(Node node) {
2 //这里，node一般为当前线程所在的结点。
3 int ws = node.waitStatus;
4 if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
5 compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
6
7 Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
8 if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
9 s = null;
10 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
11 if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
12 s = t;
13 }
14 if (s != null)
15 LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
16 }
这个函数并不复杂。一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程，这里我们也用s来表示吧。此时，再和acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断（即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立啦），然后s把自己设置成head标杆结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了！！And then, DO what you WANT!
release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。
此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码：
1 public final void acquireShared(int arg) {
2 if (tryAcquireShared(arg) < 0)
3 doAcquireShared(arg);
4 }
这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是：
此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。下面是doAcquireShared()的源码：
1 private void doAcquireShared(int arg) {
2 final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
3 boolean failed = true;//是否成功标志
4 try {
5 boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
6 for (;;) {
7 final Node p = node.predecessor();//前驱
8 if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
9 int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
10 if (r >= 0) {//成功
11 setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
12 p.next = null; // help GC
13 if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
14 selfInterrupt();
15 failed = false;
16 return;
17 }
18 }
19
20 //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
21 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
22 parkAndCheckInterrupt())
23 interrupted = true;
24 }
25 } finally {
26 if (failed)
27 cancelAcquire(node);
28 }
29 }
有木有觉得跟acquireQueued()很相似？对，其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了，而独占模式是放到acquireQueued()之外，其实都一样，不知道Doug Lea是怎么想的。
跟独占模式比，还有一点需要注意的是，这里只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了，假如老大用完后释放了5个资源，而老二需要6个，老三需要1个，老四需要2个。因为老大先唤醒老二，老二一看资源不够自己用继续park()，也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式，同一时刻只有一个线程去执行，这样做未尝不可；但共享模式下，多个线程是可以同时执行的，现在因为老二的资源需求量大，而把后面量小的老三和老四也都卡住了。
1 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
2 Node h = head;
3 setHead(node);//head指向自己
4 //如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程
5 if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {
6 Node s = node.next;
7 if (s == null || s.isShared())
8 doReleaseShared();
9 }
10 }
此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式！
doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。
OK，至此，acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：
其实跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作（这才是共享嘛）。
上一小节已经把acquireShared()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码：
1 public final boolean releaseShared(int arg) {
2 if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源
3 doReleaseShared();//唤醒后继结点
4 return true;
5 }
6 return false;
7 }
此方法的流程也比较简单，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，一是共享的实质--多线程可并发执行；二是共享模式基本也不会重入吧（至少我还没见过），所以自定义同步器可以根据需要决定返回值。
此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：
1 private void doReleaseShared() {
2 for (;;) {
3 Node h = head;
4 if (h != null && h != tail) {
5 int ws = h.waitStatus;
6 if (ws == Node.SIGNAL) {
7 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
8 continue;
9 unparkSuccessor(h);//唤醒后继
10 }
11 else if (ws == 0 &&
12 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
13 continue;
14 }
15 if (h == head)// head发生变化
16 break;
17 }
18 }
本节我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码，相信大家都有一定认识了。值得注意的是，acquire()和acquireSahred()两种方法下，线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是，这里相应的源码跟acquire()和acquireSahred()差不多，这里就不再详解了。
下面我们就以AQS源码里的Mutex为例，讲一下AQS的简单应用。
同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，只用实现state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase，至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。
1 class Mutex implements Lock, java.io.Serializable { 2 // 自定义同步器 3 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 4 // 判断是否锁定状态 5 protected boolean isHeldExclusively() { 6 return getState() == 1; 7 } 8 9 // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。 10 public boolean tryAcquire(int acquires) { 11 assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量 12 if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！ 13 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源 14 return true; 15 } 16 return false; 17 } 18 19 // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。 20 protected boolean tryRelease(int releases) { 21 assert releases == 1; // 限定为1个量 22 if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！ 23 throw new IllegalMonitorStateException(); 24 setExclusiveOwnerThread(null); 25 setState(0);//释放资源，放弃占有状态 26 return true; 27 } 28 } 29 30 // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！ 31 private final Sync sync = new Sync(); 32 33 //lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。 34 public void lock() { 35 sync.acquire(1); 36 } 37 38 //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。 39 public boolean tryLock() { 40 return sync.tryAcquire(1); 41 } 42 43 //unlock<-->release。两者语文一样：释放资源。 44 public void unlock() { 45 sync.release(1); 46 } 47 48 //锁是否占有状态 49 public boolean isLocked() { 50 return sync.isHeldExclusively(); 51 } 52 }
公共方法
|
子类需要自定义的方法（AQS中默认返回异常，子类覆盖实现）
|
子类可直接使用的方法 |
|
| 独占模式 |
CAS操作节点、state同步状态 compareAndSetState 设置同步状态 compareAndSetHead 设置head节点
|
protected boolean tryAcquire(int arg)获取资源 protected boolean tryRelease(int arg) 释放资源 protected boolean isHeldExclusively()该线程是否正在独占资源。 |
AbstractOwnableSynchronizer是AQS的父类，继承AQS类自然继承了AbstractOwnableSynchronizer， 方法： protected final Thread getExclusiveOwnerThread()获取当前独占线程 |
| 共享模式 |
protected int tryAcquireShared(int arg)获取资源 protected boolean tryReleaseShared(int arg) 释放资源 |
了解了老李头的AQS，再去看JUC下的类就简单明了啦，如下：
1.独占模式：
ReentrantLock：可重入锁。state=0独占锁，或者同一线程可多次获取锁（获取+1，释放-1）。
Worker(java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor类中的内部类)线程池类。shutdown关闭空闲工作线程，中断worker工作线程是独占的，互斥的。
2.共享模式：
Semaphore：信号量。 控制同时有多少个线程可以进入代码段。（互斥锁的拓展）
CountDownLatch：倒计时器。 初始化一个值，多线程减少这个值，直到为0，倒计时完毕，执行后续代码。
3.独占+共享模式：
ReentrantReadWriteLock：可重入读写锁。独占写+共享读，即并发读，互斥写。
========参考=================
1.《The java.util.concurrent Synchronizer Framework》
2.http://singleant.iteye.com/blog/1418580
3.http://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html
AbstractQueuedSynchronizer AQS框架源码剖析
标签：了解 lock 依赖 interrupt 工作量 openjdk8 功能 需求分析 可重入锁
原文地址：http://www.cnblogs.com/dennyzhangdd/p/7218983.html
