解读 JUC —— AQS 独占模式

1. 前言

说起 JUC，我们常常会想起其中的线程池（ExecutorService）。然而，我们今天来看看另一个核心模块 AQS。

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 的简称，在 JUC 中作为各种同步器的基石。举个例子，常见的 ReentrantLock 就是由它实现的。

2. 如何实现一个锁？

我们知道，java 有一个关键字 synchronized 来给一段代码加锁，可是这是 JVM 层面的事情。那么问题来了，如何在 java 代码层面来实现模拟一个锁？

即实现这样一个接口：

package java.util.concurrent.locks;

public interface Lock {
    void lock();

    void unlock();
}

自旋锁

一个简单的想法是：让所有线程去竞争一个变量owner，确保只有一个线程成功，并设置自己为owner，其他线程陷入死循环等待。这便是所谓的自旋锁。

一个简单的代码实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class SpinLock {
   private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<Thread>();

   public void lock() {
       Thread currentThread = Thread.currentThread();

       // 如果锁未被占用，则设置当前线程为锁的拥有者
       while (!owner.compareAndSet(null, currentThread)) {
       }
   }

   public void unlock() {
       Thread currentThread = Thread.currentThread();

       // 只有锁的拥有者才能释放锁
       owner.compareAndSet(currentThread, null);
   }
}

扯这个自旋锁，主要是为了引出 AQS 背后的算法 CLH锁。

关于CLH锁更多细节可以参考篇文章：

自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁

3. AQS 的实现

CLH锁的思想，简单的说就是：一群人去ATM取钱，头一个人拿到锁，在里面用银行卡取钱，其余的人在后面排队等待；前一个人取完钱出来，唤醒下一个人进去取钱。

关键部分翻译成代码就是：

• 排队 -> 队列
• 等待/唤醒 -> wait()/notify() 或者别的什么 api

3.1 同步队列

AQS 使用节点为 Node 的双向链表作为同步队列。拿到锁的线程可以继续执行代码，没拿到的线程就进入这个队列排队。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer ... {
	// 队列头
	private transient volatile Node head;
	// 队列尾
	private transient volatile Node tail;

	static final class Node {
	    /** 共享模式，可用于实现 CountDownLatch */
	    static final Node SHARED = new Node();
	    /** 独占模式，可用于实现 ReentrantLock */
	    static final Node EXCLUSIVE = null;
	
	    /** 取消 */
	    static final int CANCELLED =  1;
	    /** 意味着它的后继节点的线程在排队，等待被唤醒 */
	    static final int SIGNAL    = -1;
	    /** 等待在条件上（与Condition相关，暂不解释） */
	    static final int CONDITION = -2;
	    /**
	     * 与共享模式相关，暂不解释
	     */
	    static final int PROPAGATE = -3;
	
	    // 可取值：CANCELLED, 0, SIGNAL, CONDITION, PROPAGATE
	    volatile int waitStatus;
	
	    volatile Node prev;
	
	    volatile Node next;
	
	    volatile Thread thread;
	    
	    Node nextWaiter;
	}
}

这个队列大体上长这样：图片来源

条件队列是为了支持 Lock.newCondition() 这个功能，暂时不care，先跳过。

3.2 独占模式的 api

AQS 支持独占锁（Exclusive）和共享锁（Share）两种模式：

• 独占锁：只能被一个线程获取到 (ReentrantLock)；
• 共享锁：可以被多个线程同时获取 (CountDownLatch、ReadWriteLock 的读锁)。

这边我们只看独占模式，它对外提供一套 api：

• acquire(int n)：获取n个资源（锁）
• release(int n)：释放n个资源（锁）

简单看一眼怎么用的 (ReentrantLock 的例子):

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;
    
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {...}

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

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

可以看到，AQS 封装了排队、阻塞、唤醒之类的操作，使得实现一个锁变的如此简洁。

3.2.1 acquire(int)

获取资源

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

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

这个函数很短，其中 tryAcquire(int) 为模板方法，留给子类实现。类似 Activity.onCreate()。

根据 tryAcquire(arg) 的结果，分两种情况：

• 返回 true: 该线程拿到锁，由于短路，直接跳出 if，该线程可以往下执行自己的业务代码。
• 返回 false: 该线程没有拿到锁，会继续走 acquireQueued()，执行排队等待逻辑。

3.2.1.1 addWaiter(Node)

这一步把当前线程（Thread.currentThread()）作为一个Node节点，加入同步队列的尾部，并标记为独占模式。

当然，加入队列这个动作，要保证线程安全。

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 1处尝试更快地 enq(), 成功的话直接 return。失败的话, 在2处退化为完整版的 enq()，相对更慢些
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) { // 1
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node); // 2
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    // 神奇的死循环 + CAS
    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;
            }
        }
    }
}

可以看到，这边有一个死循环 + CAS的神奇操作，这是非阻塞算法的经典操作，可自行查阅相关资料。简单的说，非阻塞算法就是在多线程的情况下，不加锁同时保证某个变量（本例中为双向链表）的线程安全，而且通常比 synchronized 的效率要高。

3.2.1.2 acquireQueued(Node，int)

这个函数主要做两件事：

• 查看prev的waitStatus，看是不是需要阻塞，需要的话阻塞该线程
• 排在队首的家伙调用了release()，会唤醒老二。老二尝试去获得锁，成功的话自己变成队首，跳出循环。

结合这张图来看，每次出队完需要确保 head 始终指向占用资源的线程：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        // 这又是一个死循环 + CAS，这次CAS比较隐蔽，在 shouldParkAfterFailedAcquire()里边
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 排在队首的后面，看看能不能获得锁，成功的话自己变成队首
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        // 这里失败会做一些回滚操作，不分析
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

这边的 interrupted 主要是保证这样一个功能。线程在排队的时候不响应中断，直到出来以后，如果等待的过程中被中断过，作为弥补，立即相应中断（即调用selfInterrupt()）。

shouldParkAfterFailedAcquire()

查看prev的waitStatus，看是不是需要阻塞。可以预见的是，经过几次死循环，全部都会变成SIGNAL状态。之后全部陷入阻塞。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus; // 查看前驱节点的状态
    if (ws == Node.SIGNAL) // SIGNAL: 可以安全的阻塞
        return true;
    if (ws > 0) { // CANCEL: 取消排队的节点，直接从队列中清除。
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else { // 0 or PROPAGATE: 需要变成 SIGNAL，但不能立即阻塞，需要重走外层的死循环二次确认。
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

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

值得一提的是，阻塞和唤醒没有使用常说的 wait()/notify()，而是使用了 LockSupport.park()/unpark()。这应该是出于效率上的考虑。

3.2.2 release(int)

释放资源

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

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    /*
     * 唤醒next节点对应的线程，通常就是老二（直接后继）。
     * 如果是null，或者是cancel状态（出现异常如线程遇到空指针挂掉了），
     * 那么跳过cancel节点，找到后继节点。
     */
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 唤醒 node.next
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

释放的逻辑比较简单。注意一点，对于 next 节点 unpark()，相当于在把 next 节点从 acquireQueued() 中的死循环中解放出来。

回到 ATM 的例子，相当于，他取完钱，轮到后一个人取钱了。这样逻辑全部都串起来了。

4. 总结

这样，顺着独占锁这条线，AQS 的独占模式就分析完了。其他还有用于实现闭锁的共享模式，用于实现 Condition 的条件队列就不展开了。

5. 参考

Java并发编程实战（chapter_4）（AQS源码分析）

JUC源码分析—AQS

自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁

《JAVA并发编程实践》