Java AQS锁实现原理

痛定思痛。 2024-03-16 20:50 59阅读 0赞

###  **整体介绍** ###

#### **概念** ####

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首先阅读一下类的源码注释，可以知道，这几个接口是最关键的。

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这几个方法是使用AQS类的关键，只有这几个方法是可以定制的，其他方法几乎都是final的，不可修改。

从代码实现上看，能看到的变量几乎都是volatile的，能看到的方法几乎都是CAS或者Unsafe类的原子方法。

接下来我们来整理一下这个类的字段和方法，这里我们主要关注private字段和public方法。

#### **字段** ####

volatile int state：同步状态。

volatile Node head：等待队列的头，延迟初始化。

volatile Node tail：等待队列的尾部。初始化后，仅通过casTail修改。

#### **方法** ####

获取锁：

acquire(int arg)

acquireShared(int arg)

释放锁：

release(int arg)

releaseShared(int arg)

等待队列：

hasQueuedThreads()

getFirstQueuedThread()

isQueued(Thread thread)

getQueuedThreads()

getExclusiveQueuedThreads()

getSharedQueuedThreads()

条件对象ConditionObject：

await()

signal()

#### **架构** ####

AQS整体结构，包括加锁/释放锁，条件对象await/signal。

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### **功能说明** ###

#### **锁** ####

**数据结构**

锁的数据结构

![95f6e8c42843488ebb6374fb5070d3e2.png][]

![3547b61671334ae887c89cbf3e20dde5.png][]

一个状态字段state表示同步状态，0表示没有锁竞争，1表示有锁竞争。

head跟tail分别是等待队列的头节点和尾节点，该等待队列是用双向链表实现的。

节点的数据结构

![32a4cf1fff544d1e93bae44e3f6151d0.png][]

prev：前驱节点

next：后继节点

waiter：等待锁的线程

status：节点状态

节点![56da764fa8df44b8914d056cbb1200ce.png][]

节点状态其实有4种：

取消状态：status<0;

休眠状态：status=0；

等待状态：status=1；

条件等待：status=2；

**功能实现**

*  锁类型
 *  独占锁
    
     *  公平锁
     *  非公平锁
 *  共享锁
    
     *  公平锁
     *  非公平锁

**独占锁****acquire(int arg)**

以独占模式获取，忽略中断。通过调用至少一次\{@link\#tryAcquire\}来实现，并在成功时返回。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用\{@link\#tryAcquire\}，直到成功。此方法可用于实现方法\{@link Lock\#Lock\}。

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独占锁实现过程

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1.tryAcquire

尝试以独占模式获取。此方法应查询对象的状态是否允许以独占模式获取对象，如果允许，则应获取对象。

执行acquire的线程总是调用此方法。如果此方法报告失败，acquire方法可能会将线程排队（如果尚未排队），直到其他线程发出释放信号。这可以用来实现方法\{@link Lock\#tryLock（）\}。

这是一个protected方法，在ReentrantLock里实现了FairSync和NonfairSync，也就是公平锁和非公平锁。

1-1.FairSync in ReentrantLock

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判断队列中有没有其他线程在等待锁，或者当前线程是第一个在等待锁的线程，也就是等待队列中第一个线程，然后CAS尝试修改锁状态，设置当前线程为锁拥有者。

1-2.NonfairSync in ReentrantLock

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不去判断当前线程是否是等待队列中的第一个线程，直接CAS尝试获取锁。

2.acquire

在tryAcquire获取锁失败后，acquire主要做的其实是将当前线程放入等待队列中，然后在循环中判断是否可以参与锁争抢。

由于等待队列优先调度第一个节点进行锁争抢，这里要根据当前线程是否是等待队列中的第一个节点分情况讨论：

当前线程在等待队列中不存在；

当前线程是等待队列中第一个节点；

当前线程不是等待队列中第一个节点；

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如果当前节点已存在，且不是头节点，清理队列中无效节点，并且节点继续等待；

如果当前节点已存在，且是头节点，尝试再次CAS加锁；如果加锁成功，并且是共享锁，唤醒后继节点参与锁争抢；如果加锁失败，该节点进入休眠状态，设置一个短暂的休眠期，休眠期内无法被唤醒参与锁争抢；

如果当前节点不存在，创建节点，放入等待队列尾部，进行排队等待锁争抢。

如果被中断，或者在超时时间内没有获取到锁，则加锁失败，从等待队列中清除。

**共享锁****acquireShared(int arg)**

在共享模式下获取，忽略中断。通过至少调用一次\{@link\#tryAcquireShared\}来实现，并在成功时返回。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用\{@link\#tryAcquireShared\}，直到成功。

共享锁跟独占锁最大的区别在于，共享锁可以设置并发数。共享锁status表示可以同时争抢锁的线程数，也就是并发数>1，独占锁并发数=1。

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共享锁实现过程

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1.tryAcquireShared

这是一个protected方法，在Semaphore里实现了FairSync和NonfairSync，也就是公平锁和非公平锁。

1-1.FairSync in Semaphore

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如果有前驱节点在等待，返回失败；

如果剩余的并发数<0，返回失败；

1-2.NonfairSync in Semaphore

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不去判断是否有前驱节点在等待，直接根据剩余的并发数来判断。

2.acquire

在独占锁中分析过，这里不再赘述。不同点在于共享锁允许多个线程获取锁。

其实到这里锁的基本功能已经差不多了，如果只是实现线程之间的互斥，那么只需要用到加锁/释放锁就够了。但是如果在互斥的基础上还要进行线程间的协作，就要用到条件对象了。

#### **条件对象ConditionObject** ####

**数据结构**

条件对象的主要数据结构就是一个条件队列，用于存在调用await方法释放锁后的线程。

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**功能实现**

await方法说明：

将当前线程放入条件队列，然后释放锁，唤醒等待队列中的线程参与加锁。

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signal方法说明：

将等待时间最长的线程（如果存在）从该条件的等待队列移动到拥有锁的等待队列。

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最后，我想说的是，AQS的实现思想并不仅仅局限于在读写锁中使用，在很多Java中间件、JVM以及操作系统中都有运用，包括其他语言中也有运用。因为这是一个通用的问题，大家都会遇到并且需要解决。我们日常业务开发中也会遇到，只不过需要使用分布式版本的解决方案。

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