--- title: 从ReentrantLock的实现看AQS的原理及应用 category: Java tag: - Java并发 --- > 本文转载自：https://tech.meituan.com/2019/12/05/aqs-theory-and-apply.html > > 作者：美团技术团队 Java 中的大部分同步类（Semaphore、ReentrantLock 等）都是基于 AbstractQueuedSynchronizer（简称为 AQS）实现的。AQS 是一种提供了原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。 本文会从应用层逐渐深入到原理层，并通过 ReentrantLock 的基本特性和 ReentrantLock 与 AQS 的关联，来深入解读 AQS 相关独占锁的知识点，同时采取问答的模式来帮助大家理解 AQS。由于篇幅原因，本篇文章主要阐述 AQS 中独占锁的逻辑和 Sync Queue，不讲述包含共享锁和 Condition Queue 的部分（本篇文章核心为 AQS 原理剖析，只是简单介绍了 ReentrantLock，感兴趣同学可以阅读一下 ReentrantLock 的源码）。 ## 1 ReentrantLock ### 1.1 ReentrantLock 特性概览 ReentrantLock 意思为可重入锁，指的是一个线程能够对一个临界资源重复加锁。为了帮助大家更好地理解 ReentrantLock 的特性，我们先将 ReentrantLock 跟常用的 Synchronized 进行比较，其特性如下（蓝色部分为本篇文章主要剖析的点）：  下面通过伪代码，进行更加直观的比较： ```java // **************************Synchronized的使用方式************************** // 1.用于代码块 synchronized (this) {} // 2.用于对象 synchronized (object) {} // 3.用于方法 public synchronized void test () {} // 4.可重入 for (int i = 0; i < 100; i++) { synchronized (this) {} } // **************************ReentrantLock的使用方式************************** public void test () throw Exception { // 1.初始化选择公平锁、非公平锁 ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 2.可用于代码块 lock.lock(); try { try { // 3.支持多种加锁方式，比较灵活; 具有可重入特性 if(lock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)){ } } finally { // 4.手动释放锁 lock.unlock() } } finally { lock.unlock(); } } ``` ### 1.2 ReentrantLock 与 AQS 的关联 通过上文我们已经了解，ReentrantLock 支持公平锁和非公平锁（关于公平锁和非公平锁的原理分析，可参考《[不可不说的 Java“锁”事](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjQ5MTI5OA==&mid=2651749434&idx=3&sn=5ffa63ad47fe166f2f1a9f604ed10091&chksm=bd12a5778a652c61509d9e718ab086ff27ad8768586ea9b38c3dcf9e017a8e49bcae3df9bcc8&scene=38#wechat_redirect)》），并且 ReentrantLock 的底层就是由 AQS 来实现的。那么 ReentrantLock 是如何通过公平锁和非公平锁与 AQS 关联起来呢？ 我们着重从这两者的加锁过程来理解一下它们与 AQS 之间的关系（加锁过程中与 AQS 的关联比较明显，解锁流程后续会介绍）。 非公平锁源码中的加锁流程如下： ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock#NonfairSync // 非公平锁 static final class NonfairSync extends Sync { ... final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } ... } ``` 这块代码的含义为： - 若通过 CAS 设置变量 State（同步状态）成功，也就是获取锁成功，则将当前线程设置为独占线程。 - 若通过 CAS 设置变量 State（同步状态）失败，也就是获取锁失败，则进入 Acquire 方法进行后续处理。 第一步很好理解，但第二步获取锁失败后，后续的处理策略是怎么样的呢？这块可能会有以下思考： - 某个线程获取锁失败的后续流程是什么呢？有以下两种可能： (1) 将当前线程获锁结果设置为失败，获取锁流程结束。这种设计会极大降低系统的并发度，并不满足我们实际的需求。所以就需要下面这种流程，也就是 AQS 框架的处理流程。 (2) 存在某种排队等候机制，线程继续等待，仍然保留获取锁的可能，获取锁流程仍在继续。 - 对于问题 1 的第二种情况，既然说到了排队等候机制，那么就一定会有某种队列形成，这样的队列是什么数据结构呢？ - 处于排队等候机制中的线程，什么时候可以有机会获取锁呢？ - 如果处于排队等候机制中的线程一直无法获取锁，还是需要一直等待吗，还是有别的策略来解决这一问题？ 带着非公平锁的这些问题，再看下公平锁源码中获锁的方式： ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock#FairSync static final class FairSync extends Sync { ... final void lock() { acquire(1); } ... } ``` 看到这块代码，我们可能会存在这种疑问：Lock 函数通过 Acquire 方法进行加锁，但是具体是如何加锁的呢？ 结合公平锁和非公平锁的加锁流程，虽然流程上有一定的不同，但是都调用了 Acquire 方法，而 Acquire 方法是 FairSync 和 UnfairSync 的父类 AQS 中的核心方法。 对于上边提到的问题，其实在 ReentrantLock 类源码中都无法解答，而这些问题的答案，都是位于 Acquire 方法所在的类 AbstractQueuedSynchronizer 中，也就是本文的核心——AQS。下面我们会对 AQS 以及 ReentrantLock 和 AQS 的关联做详细介绍（相关问题答案会在 2.3.5 小节中解答）。 ## 2 AQS 首先，我们通过下面的架构图来整体了解一下 AQS 框架：  - 上图中有颜色的为 Method，无颜色的为 Attribution。 - 总的来说，AQS 框架共分为五层，自上而下由浅入深，从 AQS 对外暴露的 API 到底层基础数据。 - 当有自定义同步器接入时，只需重写第一层所需要的部分方法即可，不需要关注底层具体的实现流程。当自定义同步器进行加锁或者解锁操作时，先经过第一层的 API 进入 AQS 内部方法，然后经过第二层进行锁的获取，接着对于获取锁失败的流程，进入第三层和第四层的等待队列处理，而这些处理方式均依赖于第五层的基础数据提供层。 下面我们会从整体到细节，从流程到方法逐一剖析 AQS 框架，主要分析过程如下：  ### 2.1 原理概览 AQS 核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是 CLH 队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。 CLH：Craig、Landin and Hagersten 队列，是单向链表，AQS 中的队列是 CLH 变体的虚拟双向队列（FIFO），AQS 是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。 主要原理图如下：  AQS 使用一个 Volatile 的 int 类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成资源获取的排队工作，通过 CAS 完成对 State 值的修改。 #### 2.1.1 AQS 数据结构 先来看下 AQS 中最基本的数据结构——Node，Node 即为上面 CLH 变体队列中的节点。  解释一下几个方法和属性值的含义： | 方法和属性值 | 含义 | | :----------- | :----------------------------------------------------------------------------------------------- | | waitStatus | 当前节点在队列中的状态 | | thread | 表示处于该节点的线程 | | prev | 前驱指针 | | predecessor | 返回前驱节点，没有的话抛出 npe | | nextWaiter | 指向下一个处于 CONDITION 状态的节点（由于本篇文章不讲述 Condition Queue 队列，这个指针不多介绍） | | next | 后继指针 | 线程两种锁的模式： | 模式 | 含义 | | :-------- | :----------------------------- | | SHARED | 表示线程以共享的模式等待锁 | | EXCLUSIVE | 表示线程正在以独占的方式等待锁 | waitStatus 有下面几个枚举值： | 枚举 | 含义 | | :-------- | :----------------------------------------------- | | 0 | 当一个 Node 被初始化的时候的默认值 | | CANCELLED | 为 1，表示线程获取锁的请求已经取消了 | | CONDITION | 为-2，表示节点在等待队列中，节点线程等待唤醒 | | PROPAGATE | 为-3，当前线程处在 SHARED 情况下，该字段才会使用 | | SIGNAL | 为-1，表示线程已经准备好了，就等资源释放了 | #### 2.1.2 同步状态 State 在了解数据结构后，接下来了解一下 AQS 的同步状态——State。AQS 中维护了一个名为 state 的字段，意为同步状态，是由 Volatile 修饰的，用于展示当前临界资源的获锁情况。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private volatile int state; ``` 下面提供了几个访问这个字段的方法： | 方法名 | 描述 | | :----------------------------------------------------------------- | :---------------------- | | protected final int getState() | 获取 State 的值 | | protected final void setState(int newState) | 设置 State 的值 | | protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) | 使用 CAS 方式更新 State | 这几个方法都是 Final 修饰的，说明子类中无法重写它们。我们可以通过修改 State 字段表示的同步状态来实现多线程的独占模式和共享模式（加锁过程）。   对于我们自定义的同步工具，需要自定义获取同步状态和释放状态的方式，也就是 AQS 架构图中的第一层：API 层。 ### 2.2 AQS 重要方法与 ReentrantLock 的关联 从架构图中可以得知，AQS 提供了大量用于自定义同步器实现的 Protected 方法。自定义同步器实现的相关方法也只是为了通过修改 State 字段来实现多线程的独占模式或者共享模式。自定义同步器需要实现以下方法（ReentrantLock 需要实现的方法如下，并不是全部）： | 方法名 | 描述 | | :------------------------------------------ | :--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | protected boolean isHeldExclusively() | 该线程是否正在独占资源。只有用到 Condition 才需要去实现它。 | | protected boolean tryAcquire(int arg) | 独占方式。arg 为获取锁的次数，尝试获取资源，成功则返回 True，失败则返回 False。 | | protected boolean tryRelease(int arg) | 独占方式。arg 为释放锁的次数，尝试释放资源，成功则返回 True，失败则返回 False。 | | protected int tryAcquireShared(int arg) | 共享方式。arg 为获取锁的次数，尝试获取资源。负数表示失败；0 表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。 | | protected boolean tryReleaseShared(int arg) | 共享方式。arg 为释放锁的次数，尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回 True，否则返回 False。 | 一般来说，自定义同步器要么是独占方式，要么是共享方式，它们也只需实现 tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared 中的一种即可。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。ReentrantLock 是独占锁，所以实现了 tryAcquire-tryRelease。 以非公平锁为例，这里主要阐述一下非公平锁与 AQS 之间方法的关联之处，具体每一处核心方法的作用会在文章后面详细进行阐述。  > 🐛 修正（参见：[issue#1761](https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/issues/1761)）: 图中的一处小错误，(AQS)CAS 修改共享资源 State 成功之后应该是获取锁成功(非公平锁)。 > > 对应的源码如下： > > ```java > final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { > final Thread current = Thread.currentThread();//获取当前线程 > int c = getState(); > if (c == 0) { > if (compareAndSetState(0, acquires)) {//CAS抢锁 > setExclusiveOwnerThread(current);//设置当前线程为独占线程 > return true;//抢锁成功 > } > } > 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; > } > ``` 为了帮助大家理解 ReentrantLock 和 AQS 之间方法的交互过程，以非公平锁为例，我们将加锁和解锁的交互流程单独拎出来强调一下，以便于对后续内容的理解。  加锁： - 通过 ReentrantLock 的加锁方法 Lock 进行加锁操作。 - 会调用到内部类 Sync 的 Lock 方法，由于 Sync#lock 是抽象方法，根据 ReentrantLock 初始化选择的公平锁和非公平锁，执行相关内部类的 Lock 方法，本质上都会执行 AQS 的 Acquire 方法。 - AQS 的 Acquire 方法会执行 tryAcquire 方法，但是由于 tryAcquire 需要自定义同步器实现，因此执行了 ReentrantLock 中的 tryAcquire 方法，由于 ReentrantLock 是通过公平锁和非公平锁内部类实现的 tryAcquire 方法，因此会根据锁类型不同，执行不同的 tryAcquire。 - tryAcquire 是获取锁逻辑，获取失败后，会执行框架 AQS 的后续逻辑，跟 ReentrantLock 自定义同步器无关。 解锁： - 通过 ReentrantLock 的解锁方法 Unlock 进行解锁。 - Unlock 会调用内部类 Sync 的 Release 方法，该方法继承于 AQS。 - Release 中会调用 tryRelease 方法，tryRelease 需要自定义同步器实现，tryRelease 只在 ReentrantLock 中的 Sync 实现，因此可以看出，释放锁的过程，并不区分是否为公平锁。 - 释放成功后，所有处理由 AQS 框架完成，与自定义同步器无关。 通过上面的描述，大概可以总结出 ReentrantLock 加锁解锁时 API 层核心方法的映射关系。  ## 3 通过 ReentrantLock 理解 AQS ReentrantLock 中公平锁和非公平锁在底层是相同的，这里以非公平锁为例进行分析。 在非公平锁中，有一段这样的代码： ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock static final class NonfairSync extends Sync { ... final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } ... } ``` 看一下这个 Acquire 是怎么写的： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } ``` 再看一下 tryAcquire 方法： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } ``` 可以看出，这里只是 AQS 的简单实现，具体获取锁的实现方法是由各自的公平锁和非公平锁单独实现的（以 ReentrantLock 为例）。如果该方法返回了 True，则说明当前线程获取锁成功，就不用往后执行了；如果获取失败，就需要加入到等待队列中。下面会详细解释线程是何时以及怎样被加入进等待队列中的。 ### 3.1 线程加入等待队列 #### 3.1.1 加入队列的时机 当执行 Acquire(1)时，会通过 tryAcquire 获取锁。在这种情况下，如果获取锁失败，就会调用 addWaiter 加入到等待队列中去。 #### 3.1.2 如何加入队列 获取锁失败后，会执行 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)加入等待队列，具体实现方法如下： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 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 final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update); } ``` 主要的流程如下： - 通过当前的线程和锁模式新建一个节点。 - Pred 指针指向尾节点 Tail。 - 将 New 中 Node 的 Prev 指针指向 Pred。 - 通过 compareAndSetTail 方法，完成尾节点的设置。这个方法主要是对 tailOffset 和 Expect 进行比较，如果 tailOffset 的 Node 和 Expect 的 Node 地址是相同的，那么设置 Tail 的值为 Update 的值。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer static { try { stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); headOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head")); tailOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail")); waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset(Node.class.getDeclaredField("waitStatus")); nextOffset = unsafe.objectFieldOffset(Node.class.getDeclaredField("next")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } ``` 从 AQS 的静态代码块可以看出，都是获取一个对象的属性相对于该对象在内存当中的偏移量，这样我们就可以根据这个偏移量在对象内存当中找到这个属性。tailOffset 指的是 tail 对应的偏移量，所以这个时候会将 new 出来的 Node 置为当前队列的尾节点。同时，由于是双向链表，也需要将前一个节点指向尾节点。 - 如果 Pred 指针是 Null（说明等待队列中没有元素），或者当前 Pred 指针和 Tail 指向的位置不同（说明被别的线程已经修改），就需要看一下 Enq 的方法。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 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; } } } } ``` 如果没有被初始化，需要进行初始化一个头结点出来。但请注意，初始化的头结点并不是当前线程节点，而是调用了无参构造函数的节点。如果经历了初始化或者并发导致队列中有元素，则与之前的方法相同。其实，addWaiter 就是一个在双端链表添加尾节点的操作，需要注意的是，双端链表的头结点是一个无参构造函数的头结点。 总结一下，线程获取锁的时候，过程大体如下： 1、当没有线程获取到锁时，线程 1 获取锁成功。 2、线程 2 申请锁，但是锁被线程 1 占有。  3、如果再有线程要获取锁，依次在队列中往后排队即可。 回到上边的代码，hasQueuedPredecessors 是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法。如果返回 False，说明当前线程可以争取共享资源；如果返回 True，说明队列中存在有效节点，当前线程必须加入到等待队列中。 ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock public final boolean hasQueuedPredecessors() { // The correctness of this depends on head being initialized // before tail and on head.next being accurate if the current // thread is first in queue. Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order Node h = head; Node s; return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); } ``` 看到这里，我们理解一下 h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());为什么要判断的头结点的下一个节点？第一个节点储存的数据是什么？ > 双向链表中，第一个节点为虚节点，其实并不存储任何信息，只是占位。真正的第一个有数据的节点，是在第二个节点开始的。当 h != t 时：如果(s = h.next) == null，等待队列正在有线程进行初始化，但只是进行到了 Tail 指向 Head，没有将 Head 指向 Tail，此时队列中有元素，需要返回 True（这块具体见下边代码分析）。 如果(s = h.next) != null，说明此时队列中至少有一个有效节点。如果此时 s.thread == Thread.currentThread()，说明等待队列的第一个有效节点中的线程与当前线程相同，那么当前线程是可以获取资源的；如果 s.thread != Thread.currentThread()，说明等待队列的第一个有效节点线程与当前线程不同，当前线程必须加入进等待队列。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#enq if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } ``` 节点入队不是原子操作，所以会出现短暂的 head != tail，此时 Tail 指向最后一个节点，而且 Tail 指向 Head。如果 Head 没有指向 Tail（可见 5、6、7 行），这种情况下也需要将相关线程加入队列中。所以这块代码是为了解决极端情况下的并发问题。 #### 3.1.3 等待队列中线程出队列时机 回到最初的源码： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } ``` 上文解释了 addWaiter 方法，这个方法其实就是把对应的线程以 Node 的数据结构形式加入到双端队列里，返回的是一个包含该线程的 Node。而这个 Node 会作为参数，进入到 acquireQueued 方法中。acquireQueued 方法可以对排队中的线程进行“获锁”操作。 总的来说，一个线程获取锁失败了，被放入等待队列，acquireQueued 会把放入队列中的线程不断去获取锁，直到获取成功或者不再需要获取（中断）。 下面我们从“何时出队列？”和“如何出队列？”两个方向来分析一下 acquireQueued 源码： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { // 标记是否成功拿到资源 boolean failed = true; try { // 标记等待过程中是否中断过 boolean interrupted = false; // 开始自旋，要么获取锁，要么中断 for (;;) { // 获取当前节点的前驱节点 final Node p = node.predecessor(); // 如果p是头结点，说明当前节点在真实数据队列的首部，就尝试获取锁（别忘了头结点是虚节点） if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 获取锁成功，头指针移动到当前node setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; } // 说明p为头节点且当前没有获取到锁（可能是非公平锁被抢占了）或者是p不为头结点，这个时候就要判断当前node是否要被阻塞（被阻塞条件：前驱节点的waitStatus为-1），防止无限循环浪费资源。具体两个方法下面细细分析 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } ``` 注：setHead 方法是把当前节点置为虚节点，但并没有修改 waitStatus，因为它是一直需要用的数据。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private void setHead(Node node) { head = node; node.thread = null; node.prev = null; } // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer // 靠前驱节点判断当前线程是否应该被阻塞 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { // 获取头结点的节点状态 int ws = pred.waitStatus; // 说明头结点处于唤醒状态 if (ws == Node.SIGNAL) return true; // 通过枚举值我们知道waitStatus>0是取消状态 if (ws > 0) { do { // 循环向前查找取消节点，把取消节点从队列中剔除 node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { // 设置前任节点等待状态为SIGNAL compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); } return false; } ``` parkAndCheckInterrupt 主要用于挂起当前线程，阻塞调用栈，返回当前线程的中断状态。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } ``` 上述方法的流程图如下：  从上图可以看出，跳出当前循环的条件是当“前置节点是头结点，且当前线程获取锁成功”。为了防止因死循环导致 CPU 资源被浪费，我们会判断前置节点的状态来决定是否要将当前线程挂起，具体挂起流程用流程图表示如下（shouldParkAfterFailedAcquire 流程）：  从队列中释放节点的疑虑打消了，那么又有新问题了： - shouldParkAfterFailedAcquire 中取消节点是怎么生成的呢？什么时候会把一个节点的 waitStatus 设置为-1？ - 是在什么时间释放节点通知到被挂起的线程呢？ ### 3.2 CANCELLED 状态节点生成 acquireQueued 方法中的 Finally 代码： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { boolean failed = true; try { ... for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) { ... failed = false; ... } ... } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } ``` 通过 cancelAcquire 方法，将 Node 的状态标记为 CANCELLED。接下来，我们逐行来分析这个方法的原理： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private void cancelAcquire(Node node) { // 将无效节点过滤 if (node == null) return; // 设置该节点不关联任何线程，也就是虚节点 node.thread = null; Node pred = node.prev; // 通过前驱节点，跳过取消状态的node while (pred.waitStatus > 0) node.prev = pred = pred.prev; // 获取过滤后的前驱节点的后继节点 Node predNext = pred.next; // 把当前node的状态设置为CANCELLED node.waitStatus = Node.CANCELLED; // 如果当前节点是尾节点，将从后往前的第一个非取消状态的节点设置为尾节点 // 更新失败的话，则进入else，如果更新成功，将tail的后继节点设置为null if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) { compareAndSetNext(pred, predNext, null); } else { int ws; // 如果当前节点不是head的后继节点，1:判断当前节点前驱节点的是否为SIGNAL，2:如果不是，则把前驱节点设置为SINGAL看是否成功 // 如果1和2中有一个为true，再判断当前节点的线程是否为null // 如果上述条件都满足，把当前节点的前驱节点的后继指针指向当前节点的后继节点 if (pred != head && ((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL || (ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) && pred.thread != null) { Node next = node.next; if (next != null && next.waitStatus <= 0) compareAndSetNext(pred, predNext, next); } else { // 如果当前节点是head的后继节点，或者上述条件不满足，那就唤醒当前节点的后继节点 unparkSuccessor(node); } node.next = node; // help GC } } ``` 当前的流程： - 获取当前节点的前驱节点，如果前驱节点的状态是 CANCELLED，那就一直往前遍历，找到第一个 waitStatus <= 0 的节点，将找到的 Pred 节点和当前 Node 关联，将当前 Node 设置为 CANCELLED。 - 根据当前节点的位置，考虑以下三种情况： (1) 当前节点是尾节点。 (2) 当前节点是 Head 的后继节点。 (3) 当前节点不是 Head 的后继节点，也不是尾节点。 根据上述第二条，我们来分析每一种情况的流程。 当前节点是尾节点。  当前节点是 Head 的后继节点。  当前节点不是 Head 的后继节点，也不是尾节点。  通过上面的流程，我们对于 CANCELLED 节点状态的产生和变化已经有了大致的了解，但是为什么所有的变化都是对 Next 指针进行了操作，而没有对 Prev 指针进行操作呢？什么情况下会对 Prev 指针进行操作？ > 执行 cancelAcquire 的时候，当前节点的前置节点可能已经从队列中出去了（已经执行过 Try 代码块中的 shouldParkAfterFailedAcquire 方法了），如果此时修改 Prev 指针，有可能会导致 Prev 指向另一个已经移除队列的 Node，因此这块变化 Prev 指针不安全。 shouldParkAfterFailedAcquire 方法中，会执行下面的代码，其实就是在处理 Prev 指针。shouldParkAfterFailedAcquire 是获取锁失败的情况下才会执行，进入该方法后，说明共享资源已被获取，当前节点之前的节点都不会出现变化，因此这个时候变更 Prev 指针比较安全。 > > ```java > do { > node.prev = pred = pred.prev; > } while (pred.waitStatus > 0); > ``` ### 3.3 如何解锁 我们已经剖析了加锁过程中的基本流程，接下来再对解锁的基本流程进行分析。由于 ReentrantLock 在解锁的时候，并不区分公平锁和非公平锁，所以我们直接看解锁的源码： ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock public void unlock() { sync.release(1); } ``` 可以看到，本质释放锁的地方，是通过框架来完成的。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer public final boolean release(int arg) { if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } ``` 在 ReentrantLock 里面的公平锁和非公平锁的父类 Sync 定义了可重入锁的释放锁机制。 ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync // 方法返回当前锁是不是没有被线程持有 protected final boolean tryRelease(int releases) { // 减少可重入次数 int c = getState() - releases; // 当前线程不是持有锁的线程，抛出异常 if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; // 如果持有线程全部释放，将当前独占锁所有线程设置为null，并更新state if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } ``` 我们来解释下述源码： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer public final boolean release(int arg) { // 上边自定义的tryRelease如果返回true，说明该锁没有被任何线程持有 if (tryRelease(arg)) { // 获取头结点 Node h = head; // 头结点不为空并且头结点的waitStatus不是初始化节点情况，解除线程挂起状态 if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } ``` 这里的判断条件为什么是 h != null && h.waitStatus != 0？ > h == null Head 还没初始化。初始情况下，head == null，第一个节点入队，Head 会被初始化一个虚拟节点。所以说，这里如果还没来得及入队，就会出现 head == null 的情况。 > > h != null && waitStatus == 0 表明后继节点对应的线程仍在运行中，不需要唤醒。 > > h != null && waitStatus < 0 表明后继节点可能被阻塞了，需要唤醒。 再看一下 unparkSuccessor 方法： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private void unparkSuccessor(Node node) { // 获取头结点waitStatus int ws = node.waitStatus; if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 获取当前节点的下一个节点 Node s = node.next; // 如果下个节点是null或者下个节点被cancelled，就找到队列最开始的非cancelled的节点 if (s == null || s.waitStatus > 0) { s = null; // 就从尾部节点开始找，到队首，找到队列第一个waitStatus<0的节点。 for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0) s = t; } // 如果当前节点的下个节点不为空，而且状态<=0，就把当前节点unpark if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); } ``` 为什么要从后往前找第一个非 Cancelled 的节点呢？原因如下。 之前的 addWaiter 方法： ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 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; } ``` 我们从这里可以看到，节点入队并不是原子操作，也就是说，node.prev = pred; compareAndSetTail(pred, node) 这两个地方可以看作 Tail 入队的原子操作，但是此时 pred.next = node;还没执行，如果这个时候执行了 unparkSuccessor 方法，就没办法从前往后找了，所以需要从后往前找。还有一点原因，在产生 CANCELLED 状态节点的时候，先断开的是 Next 指针，Prev 指针并未断开，因此也是必须要从后往前遍历才能够遍历完全部的 Node。 综上所述，如果是从前往后找，由于极端情况下入队的非原子操作和 CANCELLED 节点产生过程中断开 Next 指针的操作，可能会导致无法遍历所有的节点。所以，唤醒对应的线程后，对应的线程就会继续往下执行。继续执行 acquireQueued 方法以后，中断如何处理？ ### 3.4 中断恢复后的执行流程 唤醒后，会执行 return Thread.interrupted();，这个函数返回的是当前执行线程的中断状态，并清除。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private final boolean parkAndCheckInterrupt() { LockSupport.park(this); return Thread.interrupted(); } ``` 再回到 acquireQueued 代码，当 parkAndCheckInterrupt 返回 True 或者 False 的时候，interrupted 的值不同，但都会执行下次循环。如果这个时候获取锁成功，就会把当前 interrupted 返回。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 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); } } ``` 如果 acquireQueued 为 True，就会执行 selfInterrupt 方法。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer static void selfInterrupt() { Thread.currentThread().interrupt(); } ``` 该方法其实是为了中断线程。但为什么获取了锁以后还要中断线程呢？这部分属于 Java 提供的协作式中断知识内容，感兴趣同学可以查阅一下。这里简单介绍一下： 1. 当中断线程被唤醒时，并不知道被唤醒的原因，可能是当前线程在等待中被中断，也可能是释放了锁以后被唤醒。因此我们通过 Thread.interrupted()方法检查中断标记（该方法返回了当前线程的中断状态，并将当前线程的中断标识设置为 False），并记录下来，如果发现该线程被中断过，就再中断一次。 2. 线程在等待资源的过程中被唤醒，唤醒后还是会不断地去尝试获取锁，直到抢到锁为止。也就是说，在整个流程中，并不响应中断，只是记录中断记录。最后抢到锁返回了，那么如果被中断过的话，就需要补充一次中断。 这里的处理方式主要是运用线程池中基本运作单元 Worder 中的 runWorker，通过 Thread.interrupted()进行额外的判断处理，感兴趣的同学可以看下 ThreadPoolExecutor 源码。 ### 3.5 小结 我们在 1.3 小节中提出了一些问题，现在来回答一下。 > Q：某个线程获取锁失败的后续流程是什么呢？ > > A：存在某种排队等候机制，线程继续等待，仍然保留获取锁的可能，获取锁流程仍在继续。 > > Q：既然说到了排队等候机制，那么就一定会有某种队列形成，这样的队列是什么数据结构呢？ > > A：是 CLH 变体的 FIFO 双端队列。 > > Q：处于排队等候机制中的线程，什么时候可以有机会获取锁呢？ > > A：可以详细看下 2.3.1.3 小节。 > > Q：如果处于排队等候机制中的线程一直无法获取锁，需要一直等待么？还是有别的策略来解决这一问题？ > > A：线程所在节点的状态会变成取消状态，取消状态的节点会从队列中释放，具体可见 2.3.2 小节。 > > Q：Lock 函数通过 Acquire 方法进行加锁，但是具体是如何加锁的呢？ > > A：AQS 的 Acquire 会调用 tryAcquire 方法，tryAcquire 由各个自定义同步器实现，通过 tryAcquire 完成加锁过程。 ## 4 AQS 应用 ### 4.1 ReentrantLock 的可重入应用 ReentrantLock 的可重入性是 AQS 很好的应用之一，在了解完上述知识点以后，我们很容易得知 ReentrantLock 实现可重入的方法。在 ReentrantLock 里面，不管是公平锁还是非公平锁，都有一段逻辑。 公平锁： ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.FairSync#tryAcquire if (c == 0) { 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; } ``` 非公平锁： ```java // java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync#nonfairTryAcquire if (c == 0) { 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; } ``` 从上面这两段都可以看到，有一个同步状态 State 来控制整体可重入的情况。State 是 Volatile 修饰的，用于保证一定的可见性和有序性。 ```java // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer private volatile int state; ``` 接下来看 State 这个字段主要的过程： 1. State 初始化的时候为 0，表示没有任何线程持有锁。 2. 当有线程持有该锁时，值就会在原来的基础上+1，同一个线程多次获得锁是，就会多次+1，这里就是可重入的概念。 3. 解锁也是对这个字段-1，一直到 0，此线程对锁释放。 ### 4.2 JUC 中的应用场景 除了上边 ReentrantLock 的可重入性的应用，AQS 作为并发编程的框架，为很多其他同步工具提供了良好的解决方案。下面列出了 JUC 中的几种同步工具，大体介绍一下 AQS 的应用场景： | 同步工具 | 同步工具与 AQS 的关联 | | :--------------------- | :---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | ReentrantLock | 使用 AQS 保存锁重复持有的次数。当一个线程获取锁时，ReentrantLock 记录当前获得锁的线程标识，用于检测是否重复获取，以及错误线程试图解锁操作时异常情况的处理。 | | Semaphore | 使用 AQS 同步状态来保存信号量的当前计数。tryRelease 会增加计数，acquireShared 会减少计数。 | | CountDownLatch | 使用 AQS 同步状态来表示计数。计数为 0 时，所有的 Acquire 操作（CountDownLatch 的 await 方法）才可以通过。 | | ReentrantReadWriteLock | 使用 AQS 同步状态中的 16 位保存写锁持有的次数，剩下的 16 位用于保存读锁的持有次数。 | | ThreadPoolExecutor | Worker 利用 AQS 同步状态实现对独占线程变量的设置（tryAcquire 和 tryRelease）。 | ### 4.3 自定义同步工具 了解 AQS 基本原理以后，按照上面所说的 AQS 知识点，自己实现一个同步工具。 ```java public class LeeLock { private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { @Override protected boolean tryAcquire (int arg) { return compareAndSetState(0, 1); } @Override protected boolean tryRelease (int arg) { setState(0); return true; } @Override protected boolean isHeldExclusively () { return getState() == 1; } } private Sync sync = new Sync(); public void lock () { sync.acquire(1); } public void unlock () { sync.release(1); } } ``` 通过我们自己定义的 Lock 完成一定的同步功能。 ```java public class LeeMain { static int count = 0; static LeeLock leeLock = new LeeLock(); public static void main (String[] args) throws InterruptedException { Runnable runnable = new Runnable() { @Override public void run () { try { leeLock.lock(); for (int i = 0; i < 10000; i++) { count++; } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { leeLock.unlock(); } } }; Thread thread1 = new Thread(runnable); Thread thread2 = new Thread(runnable); thread1.start(); thread2.start(); thread1.join(); thread2.join(); System.out.println(count); } } ``` 上述代码每次运行结果都会是 20000。通过简单的几行代码就能实现同步功能，这就是 AQS 的强大之处。 ## 5 总结 我们日常开发中使用并发的场景太多，但是对并发内部的基本框架原理了解的人却不多。由于篇幅原因，本文仅介绍了可重入锁 ReentrantLock 的原理和 AQS 原理，希望能够成为大家了解 AQS 和 ReentrantLock 等同步器的“敲门砖”。 ## 参考资料 - Lea D. The java. util. concurrent synchronizer framework[J]. Science of Computer Programming, 2005, 58(3): 293-309. - 《Java 并发编程实战》 - [不可不说的 Java“锁”事](https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html)