AQS 加锁过程

港控/mmm° 2022-10-16 07:18 186阅读 0赞

AQS 全称是 AbstractQueuedSynchronizer （抽象队列同步器），是阻塞式锁和相关同步器工具的框架。阻塞式锁（悲观锁，Synchronize），非阻塞式锁（乐观锁，cas）。

# AQS 几个重要组件 #

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer{ 
        // 表示锁的的获取和释放。
        private volatile int state;
        // 指向线程队列的队头
        private transient volatile Node head;
        // 执行线程线程队列的队尾。
        private transient volatile Node tail;
        // 当前是哪个线程拿到了锁。
        private transient Thread exclusiveOwnerThread;
        // 多个线程争夺一把锁时，竞争失败的线程包装成 Node 节点保存的 AQS 的线程队列中等待着。
        static final class Node { ...}
        
        // 获取锁。
        public final void acquire(int arg){ ...}
        // 释放锁
        public final boolean release(int arg) { ...}
    }

# AQS 怎么使用 #

AQS 是抽象方法，具体怎么使用要看它的子类

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable { 
        //同步器。
        private final Sync sync;
        
        abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { ...}
        static final class FairSync extends Sync { ...}
        static final class NonfairSync extends Sync { ...}
        
    }

ReentrantLock 实现了锁的接口，里面有维护了继承自 AQS 的同步器 Sync，它有两个实现 FairSync 和 NonfairSync。

// 非公平锁
    public ReentrantLock() { 
        sync = new NonfairSync();
    }
    // 公平锁，fair = 1 
    public ReentrantLock(boolean fair) { 
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

公平锁和非公平锁实际上指的是 ReentrantLock 中的同步器是不是公平的。常用的是非公平锁。

# 非公平锁的加锁过程 #

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    reentrantLock.lock()

底层：

public void lock() { 
        // 调用 NonfairSync 的 lock 方法。
        sync.lock();
    }

## 加锁成功 ##

当没有线程竞争时：

final void lock() { 
        // CAS 设置 state=1
        if (compareAndSetState(0, 1))
            // 设置 exclusiveOwnerThread = 当前线程
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

加锁成功。

## 加锁失败 ##

出现竞争时，假设上面的线程 T0 已经加锁成功，且未释放锁，T1又来加锁。

final void lock() { 
        // 此时 state == 1，CAS失败。
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 执行这个方法。
            acquire(1);
    }

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

1.  tryAcquire(arg) 再次尝试加锁（可能 T0 会将锁释放），尝试失败返回 false，取反，就能执行 && 后面的逻辑了。
2.  addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：将 T1 线程包装成 Node 对象，并加入到 AQS 的等待队列中。
3.  acquireQueued(node, args) ：如果 T1 是等待队列中的第二个节点，那就再尝试拿锁（最后的挣扎），如果还拿不到，那就 park。

看下细节

### tryAcquire(arg) ###

几层调用后，最终会执行到：

// ReectrantLock.java
    
    // acquires=1
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { 
        // 获取当前线程
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取 state, 此时 c=1。
        int c = getState();
        // 如果没有加锁
        if (c == 0) { 
            // CAS 修改 state。
            if (compareAndSetState(0, acquires)) { 
                // 将当前线程设置成锁持有者。
                setExclusiveOwnerThread(current);
                // 拿锁成功，返回。（T1 从这里返回了）
                return true;
            }
        }
        // (从这里可以看出，ReectrantLock支持锁重入的)
        // 如果已经加锁了，再判断锁的持有者是不是当前线程。
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
            // state 值增加。
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 写回 state
            setState(nextc);
            // 拿锁成功，返回。
            return true;
        }
        // 拿锁失败，返回。
        return false;
    }

### addWaiter(Node.EXCLUSIVE) ###

private Node addWaiter(Node mode) { 
        // 将当前线程包装成 node。
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 拿出队尾指针。
        Node pred = tail;
        // 队尾指针非空，表示同步器的线程队列中已经有线程等待了。
        // 只需要将当前线程追加到队尾就可以了。
        if (pred != null) { 
            // 当前 node 前驱指针指向队尾元素。
            node.prev = pred;
            // CAS 将 tail 从指向原队尾 修改成 指向 node。
            if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
                // 原队尾的后继指针指向 node。
                pred.next = node;
                // node 入队成功，返回 node。
                return node;
            }
        }
        // 如果 队列非空 或者 CAS入队失败，（T1属于队列非空的情况）
        // 执行 enq 重新入队。
        enq(node);
        // 入队成功，返回 node。
        return node;
    }

（1）队列为空，重新入队。会执行两次循环，第一次想队列中添加一个不带线程的 node 节点做队头。第二次在将之前入队失败的 node 追加到线程队列中，直到追加成功才会跳出死循环。

为什么要加一个不带线程的 node 作为线程队列的头呢？

因为等待队列的线程最终是要被唤醒的，设计的唤醒方式是：队列中的前一个节点唤醒它后面的节点，所以必须有个不带线程的 node 作为头，启动唤醒。

// 第一次
    private Node enq(final Node node) { 
        for (;;) { 
            // 因为队列是空，所以 t = tail = null
            Node t = tail;
            if (t == null) {  // Must initialize
                // CAS 设置 head 指向 new Node()
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    // 只有一个 node，队头、队尾都指向这个 node。
                    tail = head;
            } else { 
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) { 
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }
    
    // 第二次
    private Node enq(final Node node) { 
        for (;;) { 
            // 队列非空，t = tail ！= null。
            Node t = tail;
            if (t == null) {  
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else { 
                // 将 node 追加到队尾。
                node.prev = t;
                // CAS 更新队尾到指向 node。如果失败，一直死循环直到成功。
                if (compareAndSetTail(t, node)) { 
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

（2）队列非空，重新入队。跟（1）中的第二次执行入队是一样的流程。为什么队列非空还要重新执行入队呢？当多个线程同时没有抢到锁需要入队等待时，入队也会发生竞争，CAS 当初值变了，再更新就会失败。死循环重新入队，最惨的情况就是当前线程最后一个入队。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 
        // 拿锁失败？默认是。
        boolean failed = true;
        try { 
            boolean interrupted = false;
            for (;;) { 
                //获取线程节点的前驱节点。
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前驱节点是头节点，说明 node 是第二个节点。
                // 那就再尝试拿锁。
                if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                    // 这是拿锁成功的情况
                    setHead(node);  // 将 node 变成不带线程的头节点。
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false; //拿锁失败，修改成否。
                    return interrupted;
                }
                // 因为T0一直没有释放锁，所以 T1 在上面拿锁还是失败。
                // 此时要判断 T1 是不是该 park。
                // 第一次不 park，会再执行一次循环，第二次再park。（这里也叫自旋一次）
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // 执行当前 node 的 park。
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally { 
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

为什么第一次不 park，要自旋一次，第二次再 park？

第一，park 就是启动了重量级锁，重量级锁就涉及到操作系统底层了，开销很大，所以再自旋一次，尽量在 jvm层面解决加锁。

第二，node 执行park 后，是要被唤醒的。它得先把前驱节点的 waitStatus 字段标记成 -1。这样前驱结点在执行完毕释放锁时会将 node唤醒，node 再去竞争锁。

第三，线程队列中有在 node 之前已经有好多个节点了，其中有些节点（线程）已经被取消了，其 waitStatus =1，取消的节点是不会唤醒它后面的节点的。所以 在第一次的 park 中将线程队列中的所有被取消节点全部给清除。

### shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) ###

// node 是当前节点，pred 是当前节点的前驱节点。
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { 
        // 获取前驱的 ws
        int ws = pred.waitStatus;
        // Node.SIGNAL == -1
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true; // 当前节点park。
        // ws > 0, 其实是判断 ws == 1 是不是成立。
        if (ws > 0) { 
            // 如果前驱是的 ws == 1，那表示前驱线程被取消了。
            // do{}while{} 循环一直往前找，直到找到没有被取消的线程。
            // 修改节点的前后引用的指向，将当前节点追加到没有被取消的节点的后面。
            // 也是就是说，那些“被取消的节点”被从队列中清理出去了。
            // if{} 执行完会直接跳到最后的 return false。
            do { 
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else { 
            // 如果 ws == 0，将前驱的节点的 ws 设为 -1，后面就是 return false。
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        // 当前节点自旋。
        return false;
    }

以为 T0 一直没有释放锁，所以 T1 最终会执行 park。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 
        // 直接 park T1。
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

### 最终的结果 ###

最终的结果长这个样子。灰色表示 park，T0 在哪里，T0直接拿到了锁，执行逻辑，根本没有入队。

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