关于并发:AQS-自定义同步锁挺难的

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。

AbstractQueuedSynchronizer 同步状态

AbstractQueuedSynchronizer 外部有一个state属性，用于批示同步的状态：

private volatile int state;

state的字段是个int型的，它的值在AbstractQueuedSynchronizer中是没有具体的定义的，只有子类继承AbstractQueuedSynchronizer那么state才有意义，如在ReentrantLock中，state=0示意资源未被锁住，而state>=1的时候，示意此资源曾经被另外一个线程锁住。

AbstractQueuedSynchronizer中尽管没有具体获取、批改state的值，然而它为子类提供一些操作state的模板办法：

获取状态

    protected final int getState() {        return state;    }

更新状态

    protected final void setState(int newState) {        state = newState;    }

CAS更新状态

    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);    }

AQS 期待队列

AQS 期待列队是一个双向队列，队列中的成员都有一个prev和next成员，别离指向它后面的节点和前面的节点。

队列节点

在AbstractQueuedSynchronizer外部，期待队列节点由外部动态类Node示意：

static final class Node {    ...}

节点模式

队列中的节点有两种模式：

独占节点：同一时刻只能有一个线程拜访资源，如ReentrantLock
共享节点：同一时刻容许多个线程拜访资源，如Semaphore

节点的状态

期待队列中的节点有五种状态：

CANCELLED：此节点对应的线程，曾经被勾销
SIGNAL：此节点的下一个节点须要一个唤醒信号
CONDITION：以后节点正在条件期待
PROPAGATE：共享模式下会流传唤醒信号，就是说当一个线程应用共享模式拜访资源时，如果胜利拜访到资源，就会持续唤醒期待队列中的线程。

自定义同步锁

为了便于了解，应用AQS本人实现一个简略的同步锁，感受一下应用AQS实现同步锁是如许的轻松。

上面的代码自定了一个CustomLock类，继承了AbstractQueuedSynchronizer，并且还实现了Lock接口。
CustomLock类是一个简略的可重入锁，类中只须要重写AbstractQueuedSynchronizer中的tryAcquire与tryRelease办法，而后在批改大量的调用就能够实现一个最根本的同步锁。

public class CustomLock extends AbstractQueuedSynchronizer implements Lock {    @Override    protected boolean tryAcquire(int arg) {            int state = getState();        if(state == 0){            if( compareAndSetState(state, arg)){                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "拿到了锁");                return true;            }        }else if(getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()){            int nextState = state + arg;            setState(nextState);            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "重入");            return true;        }        return false;    }    @Override    protected boolean tryRelease(int arg) {        int state = getState() - arg;        if(getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()){            throw new IllegalMonitorStateException();        }        boolean free = false;        if(state == 0){            free = true;            setExclusiveOwnerThread(null);            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "开释了锁");        }        setState(state);        return free;    }    @Override    public void lock() {        acquire(1);    }       @Override    public void unlock() {        release(1);    }    ...}

CustomLock是实现了Lock接口，所以要重写lock和unlock办法，不过办法的代码很少只须要调用AQS中的acquire和release。

而后为了演示AQS的性能写了一个小演示程序，启动两根线程，别离命名为线程A和线程B，而后同时启动，调用runInLock办法，模仿两条线程同时拜访资源的场景：

public class CustomLockSample {    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        Lock lock = new CustomLock();        new Thread(()->runInLock(lock), "线程A").start();        new Thread(()->runInLock(lock), "线程B").start();    }    private static void runInLock(Lock lock){        try {            lock.lock();            System.out.println("Hello: " + Thread.currentThread().getName());            Thread.sleep(2000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }finally {            lock.unlock();        }    }}

拜访资源（acquire）

在CustomLock的lock办法中，调用了 acquire(1)，acquire的代码如下：

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

CustomLock.tryAcquire(...)：CustomLock.tryAcquire 判断以后线程是否可能拜访同步资源
addWaiter(...)：将以后线程增加到期待队列的队尾，以后节点为独占模型（Node.EXCLUSIVE）
acquireQueued(...)：如果以后线程可能拜访资源，那么就会放行，如果不能那以后线程就须要阻塞。
selfInterrupt：设置线程的中断标记

留神： 在acquire办法中，如果tryAcquire(arg)返回true, 就间接执行完了，线程被放行了。所以的前面的办法调用acquireQueued、addWaiter都是tryAcquire(arg)返回false时才会被调用。

tryAcquire 的作用

tryAcquire在AQS类中是一个间接抛出异样的实现：

protected boolean tryAcquire(int arg) {    throw new UnsupportedOperationException();}

而在咱们自定义的 CustomLock 中，重写了此办法：

  @Override    protected boolean tryAcquire(int arg) {        int state = getState();        if(state == 0){            if( compareAndSetState(state, arg)){                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "拿到了锁");                return true;            }        }else if(getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()){            int nextState = state + arg;            setState(nextState);            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "重入");            return true;        }        return false;    }

tryAcquire办法返回一个布而值，true示意以后线程可能拜访资源，false以后线程不能拜访资源，所以tryAcquire的作用：决定线程是否可能拜访受爱护的资源。tryAcquire外面的逻辑在子类能够自由发挥，AQS不关怀这些，只须要晓得能不能拜访受爱护的资源，而后来决定线程是放行还是进行期待队列（阻塞）。

因为是在多线程环境下执行，所以不同的线程执行tryAcquire时会返回不同的值，假如线程A比线程B要快一步，先达到compareAndSetState设置state的值成员并胜利，那线程A就会返回true，而 B 因为state的值不为0或者compareAndSetState执行失败，而返回false。

线程B 抢占锁流程

下面拜访到线程A胜利取得了锁，那线程B就会抢占失败，接着执行前面的办法。

线程的入队

线程的入队是逻辑是在addWaiter办法中，addWaiter办法的具体逻辑也不须要说太多，如果你晓得链表的话，就非常容易了解了，最终的后果就是将新线程增加到队尾。AQS的中有两个属性head、tail别离指定期待队列的队首和队尾。

private Node addWaiter(Node mode) {        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure        Node pred = tail;        if (pred != null) {            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {                pred.next = node;                return node;            }        }        enq(node);        return node;    }  private Node enq(final Node node) {        for (;;) {            Node t = tail;            if (t == null) { // Must initialize                if (compareAndSetHead(new Node()))                    tail = head;            } else {                node.prev = t;                if (compareAndSetTail(t, node)) {                    t.next = node;                    return t;                }            }        }    }

须要留神的是在enq办法中，初始化队列的时候，会新建一个Node做为head和tail，而后在之后的循环中将参数node增加到队尾，队列初始化完后，外面会有两个节点，一个是空的结点new Node()另外一个就是对该当火线程的结点。

因为线程A在tryAcquire时返回了true，所以它会被间接放行，那么只有B线程会进入addWaiter办法，此时的期待队列如下：

留神： 期待队列内的节点都是正在期待资源的线程，如果一个线程间接可能拜访资源，那它压根就不须要进入期待队列，会被放行。

线程B 的阻塞

线程B被增加到期待队列的尾部后，会继续执行acquireQueued办法，这个办法就是AQS阻塞线程的中央，acquireQueued办法代码的一些解释：

里面是一个for (;;)有限循环，这个很重要
会从新调用一次tryAcquire(arg)判断线程是否可能拜访资源了
node.predecessor()获取参数node的前一个节点
shouldParkAfterFailedAcquire判断以后线程获取锁失败后，需不需要阻塞
parkAndCheckInterrupt()应用LockSupport阻塞以后线程，

 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {        boolean failed = true;        try {            boolean interrupted = false;            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                if (p == head && tryAcquire(arg)) {                    setHead(node);                    p.next = null; // help GC                    failed = false;                    return interrupted;                }                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    interrupted = true;            }        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);        }    }

shouldParkAfterFailedAcquire 判断是否要阻塞

shouldParkAfterFailedAcquire接管两个参数：前一个节点、以后节点，它会判断前一个节点的waitStatus属性，如果前一个节点的waitStatus=Node.SIGNAL就会返回true：

 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {        int ws = pred.waitStatus;        if (ws == Node.SIGNAL)            return true;        if (ws > 0) {           do {                node.prev = pred = pred.prev;            } while (pred.waitStatus > 0);            pred.next = node;        } else {            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);        }        return false;    }

acquireQueued办法在循环中会屡次调用shouldParkAfterFailedAcquire，在期待队列中节点的waitStatus的属性默认为0，所以第一次执行shouldParkAfterFailedAcquire会执行：

compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

更新完pred.waitStatus后，节点的状态如下：

而后shouldParkAfterFailedAcquire返回false，回到acquireQueued的循环体中，又去抢锁还是失败了，又会执行shouldParkAfterFailedAcquire，第二次循环时此时的pred.waitStatus等于Node.SIGNAL那么就会返回true。

parkAndCheckInterrupt 阻塞线程

这个办法就比拟直观了，就是将线程的阻塞住：

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

为什么是一个`for (;;)`有限循环呢

先看一个for (;;)的退出条件，只有node的前一个节点是head并且tryAcquire返回true时才会退出循环，否则的话线程就会被parkAndCheckInterrupt阻塞。

线程被parkAndCheckInterrupt阻塞后就不会向上面执行了，然而等到它被唤醒后，它还在for (;;)体中，而后又会持续先去抢占锁，而后如果还是失败，那又会处于期待状态，所以始终循环上来，就只有两个后果：

抢到锁退出循环
抢占锁失败，期待下一次唤醒再次抢占锁

线程 A 开释锁

线程A的业务代码执行实现后，会调用CustomLock.unlock办法，开释锁。unlock办法外部调用的release(1)：

     public void unlock() {        release(1);    }

release是AQS类的办法，它跟acquire相同是开释的意思：

    public final boolean release(int arg) {        if (tryRelease(arg)) {            Node h = head;            if (h != null && h.waitStatus != 0)                unparkSuccessor(h);            return true;        }        return false;    }

办法体中的tryRelease是不是有点眼生，没错，它也是在实现CustomLock类时重写的办法，首先在tryRelease中会判断以后线程是不是曾经取得了锁，如果没有就间接抛出异样，否则的话计算state的值，如果state为0的话就能够开释锁了。

 protected boolean tryRelease(int arg) {        int state = getState() - arg;        if(getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()){            throw new IllegalMonitorStateException();        }        boolean free = false;        if(state == 0){            free = true;            setExclusiveOwnerThread(null);            System.out.println("Thread: " + Thread.currentThread().getName() + "开释了锁");        }        setState(state);        return free;    }

release办法只做了两件事：

调用tryRelease判断以后线程开释锁是否胜利
如果以后线程锁开释锁胜利，唤醒其余线程（也就是正在期待中的B线程）

tryRelease返回true后，会执行if外面的代码块：

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

先回顾一下当初的期待队列的样子：

依据下面的图，来走下流程：

首先拿到head属性的对象，也就是队列的第一个对象
判断head不等于空，并且waitStatus!=0，很显著当初的waitStatus是等于Node. SIGNAL的，它的值是-1

所以if (h != null && h.waitStatus != 0)这个if必定是满足条件的，接着执行unparkSuccessor(h)：

   private void unparkSuccessor(Node node) {        int ws = node.waitStatus;        if (ws < 0)            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);               Node s = node.next;                ...                if (s != null)            LockSupport.unpark(s.thread);    }

unparkSuccessor首先将node.waitStatus设置为0，而后获取node的下一个节点，最初调用LockSupport.unpark(s.thread)唤醒线程，至此咱们的B线程就被唤醒了。

此时的队列又回到了，线程B刚刚入队的样子：

线程B 唤醒之后

线程A开释锁后，会唤醒线程B，回到线程B的阻塞点，acquireQueued的for循环中：

  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {        boolean failed = true;        try {            boolean interrupted = false;            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                if (p == head && tryAcquire(arg)) {                    setHead(node);                    p.next = null; // help GC                    failed = false;                    return interrupted;                }                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    interrupted = true;            }        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);        }    }

线程唤醒后的第一件事就是，拿到它的上一个节点（以后是head结点），而后应用if判断

if (p == head && tryAcquire(arg))

依据当初期待队列中的节点状态，p == head是返回true的，而后就是tryAcquire(arg)了，因为线程A曾经开释了锁，那当初的线程B天然就能获取到锁了，所以tryAcquire(arg)也会返回true。

设置队列头

线路B拿到锁后，会调用setHead(node)本人设置为队列的头：

private void setHead(Node node) {    head = node;    node.thread = null;    node.prev = null;}

调用setHead(node)后队列会产生些变动：

移除上一个节点

setHead(node)执行完后，接着按上一个节点齐全移除：

p.next = null;

此时的队列：

线程B 开释锁

线程B 开释锁的流程与线程A基本一致，只是以后队列中曾经没有须要唤醒的线程，所以不须要执行代码去唤醒其余线程：

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

h != null && h.waitStatus != 0这里的h.waitStatus曾经是0了，不满足条件，不会去唤醒其余线程。

总结

文中通过自定义一个CustomLock类，而后通过查看AQS源码来学习AQS的局部原理。通过残缺的走完锁的获取、开释两个流程，加深对AQS的了解，心愿对大家有所帮忙。

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