AQS源码简单理解一：思路和组件

朱雀 2023-01-10 14:32 100阅读 0赞

# 1. ReentrantLock 使用方式 #

`ReentrantLock.java` 中给的 ReentrantLock 的使用方式（好多教程中推荐的写法估计也是从这来的吧）。

class X { 
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // ...
    
        public void m() { 
            lock.lock();  // block until condition holds
            try { 
                // ... method body
            } finally { 
                lock.unlock()
            }
        }
    }

`lock.lock()` 是加锁，`lock.unlock()` 锁释放，`try{...}` 是被加锁的业务逻辑。第三部分是开发者自己写的，那加锁、解锁内代码是怎么执行的呢？

# 2. 理下思路 #

在了解加锁、解锁内部代码之前，先来理下思路：

*  给线程加锁的目的是为了实现多线程同步；
 *  多线程同步的意思是：当一个线程调用代码块 （方法中的一部分代码）时，在没有得到结果之间，这个调用不返回，同时其他线程也不能调用该代码块。
 *  所以给代码块加锁，就是让多线程在该代码块上的并行变成串行，某一时刻只有能有一个线程在执行该代码块，剩余的其他都处于等待状态。

那处于等待状态的线程都在哪里等呢？当前线程怎么知道它是该执行还是该等呢？处于等待状态的线程什么时候（或者说怎么才能知道它要）执行代码块呢？

在 ReentrantLock 内部有一个同步器，它里面维护了个队列用于存放需要等待的线程，有个字段用于标记当前同步器中是否有线程正在执行代码块。当前线程是否需要等待，队列中的等待线如何调度，都由这个同步器负责，并保证某一时刻至多有一个线程在执行代码块。

# 3. 两个核心组件 #

## 3.1 ReentrantLock 里面都有什么。 ##

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable { 
        // 两个字段。
        private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
        private final Sync sync;
        // 三个内部类。
        abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { }
        static final class NonfairSync extends Sync { }
        static final class FairSync extends Sync{ }
        // 剩下的都是方法。
        public void lock() {  sync.lock();}
        public void unlock() { sync.release(1);}
        // ..... methods ..... //
    }

`serialVersionUID` 是序列化用的，这里先不用管。

`sync` 就是上面提到的同步器，它有两个子类`FairSync` 和 `FairSync`。公平锁和非公平锁就是从这出来的，具体的区别后面再讲。与其说是公平锁非公平锁，更确切的描述是共平同步器和非公平同步器。 看下 ReentrantLock 的构造函数：

public ReentrantLock() { 
        sync = new NonfairSync();
    }
    
    public ReentrantLock(boolean fair) { 
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

公平锁和非公平锁其实指的是 `new ReentrantLock` 时，里面的同步器是公平和还是非公平的。默认是非公平的，开发者也可以通过传递参数创建公平锁。

ReentrantLock 在构建对象时只创建了同步器，而且从代码里也可以看出，加锁、解锁（还有其他）的工作实际上都交给了同步器去执行。

## 3.2 AbstractQueuedSynchronizer 里面有什么 ##

AbstractQueuedSynchronizer 就是常被念叨的 AQS，字面意思：抽象队列同步器，如果忘了 AQS 的大体作用，可以再瞥一眼第 2 部分。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer 
        extends AbstractOwnableSynchronizer 
        implements java.io.Serializable { 
        // 个内部类
        static final class Node { }
        // 部分关键字段
        private transient Thread exclusiveOwnerThread;
        private transient volatile Node head;
        private transient volatile Node tail;
        private volatile int state;
        // 部分关键方法
        protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { 
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
        }
    }

队列是是由一个一个的 `Node` （节点）作元素组成的，每一个线程在代码中的表现形式就是一个 Node。

static final class Node { 
        // 两个引用（指针）。
        volatile Node next;
        volatile Node prev;
        // 线程。
        volatile Thread thread;
        // 线程的状态。
        volatile int waitStatus;
        // 还有其他的字段
    }

链表中的节点由两部分构成，指针段和数据段。指针段负责表示当前节点的前驱结点和后继节点在哪里，数据段存放当前数据。`thread` 表示某一个等待的线程，`waitStatus`表示该线程的等待状态。一个 thread 对应一个 node。

`exclusiveOwnerThread` 是 AQS 从父类 `AbstractOwnableSynchronizer` 继承来的，它表示当前正在执行代码块的线程。

`head` 指向头借点，`tail` 指向尾节点，当队列为空时，它俩的值都是 NULL。

`state` 表示同步状态，`status == 0` 表示当前时刻队列中没有线程在执行代码块，`status == 1` 表示当前时刻队列中有线程正在执行代码块。

`compareAndSetState` 专门用来更新 status 的值。

## 3.3 小结一下： ##

开发者调用 ReentrantLock 业务代码执行加锁、解锁，ReentrantLock 将具体的执行交给了 AbstractOwnableSynchronizer，而 AQS 内部维护着线程队列并进行调度，从而实现线程同步。此时得到了个大体的 AQS 框架，一个很 fu qian 的理解。

# 4. 一个完美的多线程并发。 #

当多线程并发执行的时候，会出现两种情况：

1.  对加锁代码块有竞争，此时需要等待确保同步执行，花费稍微长一点时间。
2.  对加锁代码块没竞争，运气特别好，在加锁代码块上恰好是一个线程执行完毕，另一个线程开始执行。这个是最完美的情况（虽说发生概率极小）。

看下在多线程没竞争的场景下，AQS 细节上是怎么执行的呢？

//套用开头的模板.
    @Slf4j
    public class SourceCode { 
        // 公平锁
      private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
      public static void main(String[] args) { 
        reentrantLock.lock(); // 加锁
        try { 
          log.debug("processing ...");  // 处理业务逻辑
        } finally { 
          reentrantLock.unlock();  // 解锁
        }
      }
    }

假设第一个线程 T1 执行到第六加锁：–> ReentrantLock.java

public void lock() { 
        //委托 sync 加锁
        sync.lock();
    }

–> ReentrantLock.FairSync.class

final void lock() { 
        acquire(1);
    }

–> AbstractOwnableSynchronizer.class，实际上依旧是 ReentrantLock.FairSync.class。FairSync 继承了AbstractOwnableSynchronizer，所以 acquire(int arg) 方法也在 FairSync 里面。

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

此时，`arg == 1` 先执行 `tryAcquire(arg)` 尝试请求锁（实际上是当前线程请求同步器，让自己执行代码块）。

–> ReentrantLock.FairSync.class

protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
        // 获取当前线程。
        final Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取同步器状态。
        int c = getState();
        // c(state) == 0 表示没有线程正在执行代码块。
        if (c == 0) { 
            if (!hasQueuedPredecessors() &&         // 判断队列中有没有前驱节点。
                compareAndSetState(0, acquires)) {   // 将 status 标记为 1。
                setExclusiveOwnerThread(current);   // 设置当前线程为排他锁的持有者。
                return true;
            }
        }
        // 有线程正在执行代码块。
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

T1 怎么才能拿到锁呢（让同步器允许自己执行代码块）？3 个条件：

1.  同步器的 state == 0 成立。T1 是第一个线程，state 当然等于 0。所以这个条件是成立的。
2.  `hasQueuedPredecessors == false` 成立，T1 场景成不成立。
    
        // AbstractOwnableSynchronizer.java
        public final boolean hasQueuedPredecessors() { 
            Node t = tail; 
            Node h = head;
            Node s;
            return h != t &&
                ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
        }
    
    `new FairSync()` 用的是无参构造函数，所以 `head` 和 `tail` 都是默认值 NULL，换个层面想，T1 是第一个线程，之前哪有线程入队呀。即 `h != t` 是 `false`，`&&` 后面的代码就不执行了。所以 `!hasQueuedPredecessors()` 是 `true`。
3.  `compareAndSetState(0, acquires)== true` 成立，这是 cas 操作 T1 是第一个线程，所以执行肯定成功。

三个条件均满足，所以 T1 可以执行加锁代码块（拿锁成功），`tryAcquire(int acquires)` 返回 `True`。

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

（上面的代码挪下来）接下来，`!tryAcquire(arg) == false`，`if{...}` 代码块不会执行， `acquire(int arg)` 返回。

final void lock() { 
        acquire(1);
    }

`lock()` 返回。

@Slf4j
    public class SourceCode { 
        // 公平锁
      private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
      public static void main(String[] args) { 
        reentrantLock.lock(); // 加锁
        try { 
          log.debug("processing ...");  // 处理业务逻辑
        } finally { 
          reentrantLock.unlock();  // 解锁
        }
      }
    }

`reentrantLock.lock();` 执行完毕，开始执行 `try{...}` 中的业务逻辑，这样 T1 就拿到了锁，可以执行加锁代码块。

**当 T1 释放锁后，T2 紧接着开始拿锁。T2 依旧是重复了 T1 的过程，队列依旧是空，T3 、T4 也是同样的过程。这样看，多线程但交替执行，`reentrantLock.lock();`只不过是多执行了一行代码，比 1.6 版本之前的 `synchronized(obj){...}` 在同样交替场景下的确是快不少。**

## 4.1 两个小问题 ##

拿锁的判断条件是 `if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)`

问题一：`hasQueuedPredecessors()` 为什么要判断队列中是否有前驱节点？

上面流程的前提条件是并发但交替执行，但实际中大概率出现竞争。有个场景：T1 正在执行加锁代码块，T2、T3 在同步器的队列中等待，此时 T4 执行到 `c = getstate()` 恰好遇到 T1 释放锁了，T4 拿到 `C == 0` 。如果没有前驱判断，那 T4 就执行代码块了，但实际上应该要轮到 T2 执行，T4 入队等待。所以当线程拿到 `c == 0` 是还需要判断前驱节点由没有。

问题二：`!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState()` , 为什么要在这 `&&` ?

假设当前同步器队列是空的，T2 、T3 挨的时间很近，几乎同时拿到 `c == 0`，两线程都判断队列是空，现在就抢谁更快一些，先标记 `state == 1` ，慢的那个则 cas 执行失败，当然就进入等待。如果不将 cas 写在判断条件中，而是直接在 if 块中赋值，那么慢的线程即便 cas 失败，也同样能执行加锁代码块。

# 5. 公平锁和非公平锁的区别 #

前面提到过，公平锁和非公平锁内部实际上指的是公平同步器和非公平同步器。那这两个锁有什么区别呢？

他们之间的区别在两个地方：  
第一处：`lock()` 方法中：  
非公平锁在执行 `lock()` 时，先尝试让当前线程加一次锁。加锁失败后再走和公平锁一样的加锁流程。

// NonfairSync
    final void lock() { 
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            acquire(1);
    }

// FairSync
    final void lock() { 
        acquire(1);
    }

第二处：在执行 `acquire(1)` 方法中的 `tryAcquire(int acquires)` 时，

如果当前同步器的状态 `state == 0` , 非公平锁会直接让线程加锁成功，而公平锁只有再确认同步器中没有前驱节点时，才会让线程加锁成功。

// NonfairSync
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { 
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 当 state == 0 时
        if (c == 0) { 
        	// 直接尝试让线程加锁
            if (compareAndSetState(0, acquires)) { 
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

// FairSync
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
         final Thread current = Thread.currentThread();
         int c = getState();
         // 当 statue == 0 时
         if (c == 0) { 
         	// 还要确认当前等待队列中没有前驱节点，才允许让线程加锁。
             if (!hasQueuedPredecessors() &&
                 compareAndSetState(0, acquires)) { 
                 setExclusiveOwnerThread(current);
                 return true;
             }
         }
         else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { 
             int nextc = c + acquires;
             if (nextc < 0)
                 throw new Error("Maximum lock count exceeded");
             setState(nextc);
             return true;
         }
         return false;
     }

非公平锁看到`state == 0`就要执行加锁，完全不顾及等待的线程，不讲武德。

如果是非公平锁，T1 正在执行，T2、T3在队列中等待，T4 如果执行到 compareAndSetState(0, 1) 前一瞬间恰好 T1 释放了锁，T4 直接加锁并执行代码块。

[（后面再写并发竞争的加锁流程，估计要写好长）][Link 1]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/yy_diego/article/details/113618749