你真的弄明白了嗎？Java并發之AQS詳解

帶著問題閱讀

1、什么是AQS，它有什么作用，核心思想是什么

2、AQS中的獨占鎖和共享鎖原理是什么，AQS提供的鎖機制是公平鎖還是非公平鎖

3、AQS在Java中有哪些實現，如何基于AQS實現自己的鎖控制

4、AQS除了提供鎖框架以外還提供了什么能力

AQS介紹
AbstractQueuedSynchronizer(AQS) 提供了一套可用于實現鎖同步機制的框架，不夸張地說， AQS 是 JUC 同步框架的基石。 AQS 通過一個 FIFO 隊列維護線程同步狀態，實現類只需要繼承該類，并重寫指定方法即可實現一套線程同步機制。

AQS 根據資源互斥級別提供了 獨占和共享 兩種資源訪問模式；同時其定義 Condition 結構提供了 wait/signal 等待喚醒機制。在 JUC 中，諸如 ReentrantLock 、 CountDownLatch 等都基于 AQS 實現。

AQS框架
AQS原理
AQS 的原理并不復雜， AQS 維護了一個 volatile int state 變量和一個 CLH(三個人名縮寫)雙向隊列 ，隊列中的節點持有線程引用，每個節點均可通過 getState() 、 setState() 和 compareAndSetState() 對 state 進行修改和訪問。·

當線程獲取鎖時，即試圖對 state 變量做修改，如修改成功則獲取鎖；如修改失敗則包裝為節點掛載到隊列中，等待持有鎖的線程釋放鎖并喚醒隊列中的節點。

AQS模版方法
AQS 內部封裝了隊列維護邏輯，采用模版方法的模式提供實現類以下方法：

tryAcquire(int); // 嘗試獲取獨占鎖，可獲取返回true，否則false tryRelease(int); // 嘗試釋放獨占鎖，可釋放返回true，否則false tryAcquireShared(int); // 嘗試以共享方式獲取鎖，失敗返回負數，只能獲取一次返回0，否則返回個數 tryReleaseShared(int); // 嘗試釋放共享鎖，可獲取返回true，否則false isHeldExclusively(); // 判斷線程是否獨占資源

如實現類只需實現獨占鎖/共享鎖功能，可只實現 tryAcquire/tryRelease 或 tryAcquireShared/tryReleaseShared 。雖然實現 tryAcquire/tryRelease 可自行設定邏輯，但建議使用 state 方法對 state 變量進行操作以實現同步類。

如下是一個簡單的同步鎖實現示例：

public class Mutex extends AbstractQueuedSynchronizer {@Overridepublic boolean tryAcquire(int arg) {return compareAndSetState(0, 1);}@Overridepublic boolean tryRelease(int arg) {return compareAndSetState(1, 0);}public static void main(String[] args) {final Mutex mutex = new Mutex();new Thread(() -> {System.out.println("thread1 acquire mutex");mutex.acquire(1);// 獲取資源后sleep保持try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch(InterruptedException ignore) {}mutex.release(1);System.out.println("thread1 release mutex");}).start();new Thread(() -> {// 保證線程2在線程1啟動后執行try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch(InterruptedException ignore) {}// 等待線程1 sleep結束釋放資源mutex.acquire(1);System.out.println("thread2 acquire mutex");mutex.release(1);}).start()} }

示例代碼簡單通過 AQS 實現一個互斥操作，線程1獲取 mutex 后，線程2的 acquire 陷入阻塞，直到線程1釋放。其中 tryAcquire/acquire/tryRelease/release 的 arg 參數可按實現邏輯自定義傳入值，無具體要求。

@param arg the acquire argument. This value is conveyed to {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and can represent anyting you like.

AQS核心結構
Node
前文提到，在 AQS 中如果線程獲取資源失敗，會包裝成一個節點掛載到 CLH 隊列上， AQS 中定義了 Node 類用于包裝線程。

Node 主要包含5個核心字段：

waitStatus ：當前節點狀態，該字段共有5種取值：
CANCELLED = 1 。節點引用線程由于等待超時或被打斷時的狀態。
SIGNAL = -1 。后繼節點線程需要被喚醒時的當前節點狀態。當隊列中加入后繼節點被掛起 (block) 時，其前驅節點會被設置為 SIGNAL 狀態，表示該節點需要被喚醒。
CONDITION = -2 。當節點線程進入 condition 隊列時的狀態。(見 ConditionObject )
PROPAGATE = -3 。僅在釋放共享鎖 releaseShared 時對頭節點使用。(見共享鎖分析)
0 。節點初始化時的狀態。
prev ：前驅節點。
next ：后繼節點。
thread ：引用線程，頭節點不包含線程。
nextWaiter ： condition 條件隊列。(見 ConditionObject )
獨占鎖分析
acquire

public final void acquire(int arg) {// tryAcquire需實現類處理// 如獲取資源成功，直接返回if (!tryAcquire(arg) && // 如獲取資源失敗，將線程包裝為Node添加到隊列中阻塞等待acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))// 如阻塞線程被打斷selfInterrupt(); }

acquire 核心為 tryAcquire 、 addWaiter 和 acquireQueued 三個函數，其中 tryAcquire 需具體類實現。 每當線程調用 acquire 時都首先會調用 tryAcquire ，失敗后才會掛載到隊列，因此 acquire 實現 默認為非公平鎖 。

addWaiter 將線程包裝為獨占節點，尾插式加入到隊列中，如隊列為空，則會添加一個空的頭節點。值得注意的是 addWaiter 中的 enq 方法，通過 CAS+自旋 的方式處理尾節點添加沖突。

acquireQueue 在線程節點加入隊列后判斷是否可再次嘗試獲取資源，如不能獲取則將其前驅節點標志為 SIGNAL 狀態(表示其需要被 unpark 喚醒)后，則通過 park 進入阻塞狀態。

參照流程圖， acquireQueued 方法核心邏輯為 for(;😉 和 shouldParkAfterFailedAcquire 。 tail 節點默認初始狀態為0，當新節點被掛載到隊列后，將其前驅即原 tail 節點狀態設為 SIGNAL ，表示該節點需要被喚醒，返回 true 后即被 park 陷入阻塞。 for 循環直到節點前驅為 head 后才嘗試進行資源獲取。

release
release 流程較為簡單，嘗試釋放成功后，即從頭結點開始喚醒其后繼節點，如后繼節點被取消，則轉為從尾部開始找阻塞的節點將其喚醒。阻塞節點被喚醒后，即進入 acquireQueued 中的 for(;😉 循環開始新一輪的資源競爭。

共享鎖分析
acquireShared & releaseShared

public final void acquireShared(int arg) {// 負數表示獲取共享鎖失敗，不同于tryAcquire的bool返回if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireShared(arg); }public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false; }

acquireShared 和 releaseShared 整體流程與獨占鎖類似， tryAcquireShared 獲取失敗后以 Node.SHARED 掛載到隊尾阻塞，直到隊頭節點將其喚醒。在 doAcquireShared 與獨占鎖不同的是，由于共享鎖是可以被多個線程獲取的，因此在首個阻塞節點被喚醒后，會通過 setHeadAndPropagate 傳遞喚醒后續的阻塞節點。

// doAcquireShared核心代碼 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); ... for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head) {int r = tryAcquireShared(arg);if (r >= 0) {// r>=0 表示獲取鎖成功，調整頭結點并傳遞喚醒setHeadAndPropagate(node, r);}}... }

setHeadAndPropagate 和 doReleaseShared 構成共享鎖喚醒的核心邏輯。

這兩方法的邏輯較為簡單，不再進行展開，主要對 setheadAndPropagate 的多節點喚醒判斷邏輯做出分析。

進入 setHeadAndPropagate ，首先需要明確的是，該函數的傳入參數 propagate 一定是非負數，接下來其喚醒主要為兩個判斷邏輯：

如果 propagate > 0 ，表示存在多個共享鎖可以獲取，可直接進行 doReleaseShared 喚醒阻塞節點。

如果 propagate = 0 ，表示僅當前節點可被喚醒，則有兩種情況：

h == null || h.waitStatus < 0 ，通常情況下 h != null ，現給出 h.waitStatus < 0 的場景。

(h = head) == null || h.waitStatus < 0 的場景執行序列如下：

獨占鎖共享鎖小結

1、獨占鎖共享鎖默認都是非公平獲取策略，可能被插隊。

2、獨占鎖只有一個線程可獲取，其他線程均被阻塞在隊列中；共享鎖可以有多個線程獲取。

3、獨占鎖釋放僅喚醒一個阻塞節點，共享鎖可以根據可用數量，一次喚醒多個阻塞節點

ConditionObject
AQS 中 Node 除了組成阻塞隊列外，還在 ConditionObject 中得到應用， ConditionObject 的核心定義為：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {... private transient Node firstWaiter;private transient Node lastWaiter;... }

ConditionObject 通過 Node 也構成了一個 FIFO 的隊列，那么 ConditionObject 為 AQS 提供了怎樣的功能呢？

public interface Condition {...void await() throws InterruptedException;void signal();void signalAll();... }

查看 Condition 接口的定義，可以看到其定義的方法與 Object 類的 wait/notify/notifyAll 功能是一致的。

在Synchronized詳解中筆者曾對 ObjectMonitor 做過簡單介紹，其中 ObjectMonitor 包含 _WaitSet 和 _EntryList 兩個隊列，分別用于存儲 wait調用 和 sychronized鎖競爭 時掛起的線程，而 AQS 通過 ConditionObject 同樣也提供了 wait/notify 機制的阻塞隊列。

Condihttps://blog.csdn.net/anlian523/article/details/106319294/tionObject 機制如上圖，在條件隊列中， Node 采用 nextWaiter 組成單向鏈表，當持有鎖的線程發起 condition.await 調用后，會包裝為 Node 掛載到 Condition條件阻塞隊列中 ；當對應 condition.signal 被觸發后，條件阻塞隊列中的節點將被喚醒并掛載到 鎖阻塞隊列 中。 ConditionObject 的隊列邏輯與前述的 acquire/release 大同小異，不再贅述。

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文章來源：https://www.tuicool.com/articles/iYzUfa2

總結

以上是生活随笔為你收集整理的你真的弄明白了吗？Java并发之AQS详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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