AQS

AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 的简称，即 抽象队列同步器，从字面意思上理解:

  • 抽象：抽象类，只实现一些主要逻辑，有些方法由子类实现；
  • 队列：使用先进先出（FIFO）队列存储数据；
  • 同步：实现了同步的功能。

AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的同步器。

资源共享模式

资源有两种共享模式，或者说两种同步方式：

  • 独占模式（Exclusive）：资源是独占的，一次只能一个线程获取。如 ReentrantLock。
  • 共享模式（Share）：同时可以被多个线程获取，具体的资源个数可以通过参数指定。如 Semaphore/CountDownLatch。

源码解析

基本结构

AQS 类本身实现的是一些排队和阻塞的机制，比如具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等）。它内部使用了一个先进先出（FIFO）的双端队列，并使用了两个指针 head 和 tail 用于标识队列的头部和尾部。

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/** CLH Nodes */
    abstract static class Node {
        volatile Node prev;       // initially attached via casTail
        volatile Node next;       // visibly nonnull when signallable
        Thread waiter;            // visibly nonnull when enqueued
        volatile int status;      // written by owner, atomic bit ops by others

        // methods for atomic operations
        final boolean casPrev(Node c, Node v) {  // for cleanQueue
            return U.weakCompareAndSetReference(this, PREV, c, v);
        }
        final boolean casNext(Node c, Node v) {  // for cleanQueue
            return U.weakCompareAndSetReference(this, NEXT, c, v);
        }
        final int getAndUnsetStatus(int v) {     // for signalling
            return U.getAndBitwiseAndInt(this, STATUS, ~v);
        }
        final void setPrevRelaxed(Node p) {      // for off-queue assignment
            U.putReference(this, PREV, p);
        }
        final void setStatusRelaxed(int s) {     // for off-queue assignment
            U.putInt(this, STATUS, s);
        }
        final void clearStatus() {               // for reducing unneeded signals
            U.putIntOpaque(this, STATUS, 0);
        }

        private static final long STATUS
            = U.objectFieldOffset(Node.class, "status");
        private static final long NEXT
            = U.objectFieldOffset(Node.class, "next");
        private static final long PREV
            = U.objectFieldOffset(Node.class, "prev");
    }

状态

AQS 使用 int 成员变量 state 表示同步状态，通过内置的 FIFO 线程等待/等待队列 来完成获取资源线程的排队工作。

state 变量由 volatile 修饰，用于展示当前临界资源的获锁情况。

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/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

    /**
     * Returns the current value of synchronization state.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} read.
     * @return current state value
     */
    protected final int getState() {
        return state;
    }

    /**
     * Sets the value of synchronization state.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
     * @param newState the new state value
     */
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

获取资源

获取资源的入口是 acquire(int arg) 方法。arg 是要获取的资源的个数，在独占模式下始终为 1。

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/**
     * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
     * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
     * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
     * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
     * #tryAcquire} until success.  This method can be used
     * to implement method {@link Lock#lock}.
     *
     * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
     *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
     *        can represent anything you like.
     */
    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg))
            acquire(null, arg, false, false, false, 0L);
    }
  • 首先调用 tryAcquire(arg) 尝试去获取资源。前面提到了这个方法是在子类具体实现的。
  • 如果获取资源失败，就通过 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 方法把这个线程插入到等待队列中。其中传入的参数代表要插入的 Node 是独占式的。
  • 处于等待队列的结点是从头结点一个一个去获取资源的。
  • 结点进入等待队列后，是调用 park 使它进入阻塞状态的。只有头结点的线程是处于活跃状态的。

释放资源

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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) {
    // 如果状态是负数，尝试把它设置为0
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    // 得到头结点的后继结点head.next
    Node s = node.next;
    // 如果这个后继结点为空或者状态大于0
    // 通过前面的定义我们知道，大于0只有一种可能，就是这个结点已被取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        // 等待队列中所有还有用的结点，都向前移动
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    // 如果后继结点不为空，
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

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