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    这里写图片描述

     

    一行一行源码分析清楚AbstractQueuedSynchronizer

     

    转自https://www.javadoop.com/post/AbstractQueuedSynchronizer#toc4

     

    在分析 Java 并发包 java.util.concurrent 源码的时候,少不了需要了解 AbstractQueuedSynchronizer(以下简写AQS)这个抽象类,因为它是 Java 并发包的基础工具类,是实现 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask 等类的基础。

    Google 一下 AbstractQueuedSynchronizer,我们可以找到很多关于 AQS 的介绍,但是很多都没有介绍清楚,因为大部分文章没有把其中的一些关键的细节说清楚。

    本文将从 ReentrantLock 的公平锁源码出发,分析下 AbstractQueuedSynchronizer 这个类是怎么工作的,希望能给大家提供一些简单的帮助。

    申明以下几点:

    1. 本文有点长,但是很简单很简单很简单,主要面向读者对象为并发编程的初学者,或者想要阅读java并发包源码的开发者。
    2. 建议在电脑上阅读,如果你想好好地理解所有的细节,而且你从来没看过相关的分析,你可能至少需要 20 分钟仔细看所有的描述,本文后面的 1/3 以上很简单,前面的 1/4 更简单,中间的部分要好好看。
    3. 如果你不知道为什么要看这个,我想告诉你,即使你看懂了所有的细节,你可能也不能把你的业务代码写得更好
    4. 源码环境 JDK1.7,看到不懂或有疑惑的部分,最好能自己打开源码看看。Doug Lea 大神的代码写得真心不错。
    5. 有很多英文注释我没有删除,这样读者可以参考着英文说的来,万一被我忽悠了呢
    6. 本文不分析共享模式,这样可以给读者减少很多负担,只要把独占模式看懂,共享模式读者应该就可以顺着代码看懂了。而且也不分析 condition 部分,所以应该说很容易就可以看懂了。
    7. 本文大量使用我们平时用得最多的 ReentrantLock 的概念,本质上来说是不正确的,读者应该清楚,AQS 不仅仅用来实现锁,只是希望读者可以用锁来联想 AQS 的使用场景,降低读者的阅读压力
    8. ReentrantLock 的公平锁和非公平锁只有一点点区别,没有任何阅读压力
    9. 你需要提前知道什么是 CAS(CompareAndSet)

    废话结束,开始。

     

     

    此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

    在上篇博客【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:AQS简介中提到了AQS内部维护着一个FIFO队列,该队列就是CLH同步队列。

    CLH同步队列是一个FIFO双向队列,AQS依赖它来完成同步状态的管理,当前线程如果获取同步状态失败时,AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。

    在CLH同步队列中,一个节点表示一个线程,它保存着线程的引用(thread)、状态(waitStatus)、前驱节点(prev)、后继节点(next),其定义如下:

    static final class Node {
        /** 共享 */
        static final Node SHARED = new Node();
    
        /** 独占 */
        static final Node EXCLUSIVE = null;
    
        /**
         * 因为超时或者中断,节点会被设置为取消状态,被取消的节点时不会参与到竞争中的,他会一直保持取消状态不会转变为其他状态;
         */
        static final int CANCELLED =  1;
    
        /**
         * 后继节点的线程处于等待状态,而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点,使后继节点的线程得以运行
         */
        static final int SIGNAL    = -1;
    
        /**
         * 节点在等待队列中,节点线程等待在Condition上,当其他线程对Condition调用了signal()后,改节点将会从等待队列中转移到同步队列中,加入到同步状态的获取中
         */
        static final int CONDITION = -2;
    
        /**
         * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
         */
        static final int PROPAGATE = -3;
    
        /** 等待状态 */
        volatile int waitStatus;
    
        /** 前驱节点 */
        volatile Node prev;
    
        /** 后继节点 */
        volatile Node next;
    
        /** 获取同步状态的线程 */
        volatile Thread thread;
    
        Node nextWaiter;
    
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }
    
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }
    
        Node() {
        }
    
        Node(Thread thread, Node mode) {
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }
    
        Node(Thread thread, int waitStatus) {
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    } final class Node {
        /** 共享 */
        static final Node SHARED = new Node();
    
        /** 独占 */
        static final Node EXCLUSIVE = null;
    
        /**
         * 因为超时或者中断,节点会被设置为取消状态,被取消的节点时不会参与到竞争中的,他会一直保持取消状态不会转变为其他状态;
         */
        static final int CANCELLED =  1;
    
        /**
         * 后继节点的线程处于等待状态,而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点,使后继节点的线程得以运行
         */
        static final int SIGNAL    = -1;
    
        /**
         * 节点在等待队列中,节点线程等待在Condition上,当其他线程对Condition调用了signal()后,改节点将会从等待队列中转移到同步队列中,加入到同步状态的获取中
         */
        static final int CONDITION = -2;
    
        /**
         * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
         */
        static final int PROPAGATE = -3;
    
        /** 等待状态 */
        volatile int waitStatus;
    
        /** 前驱节点 */
        volatile Node prev;
    
        /** 后继节点 */
        volatile Node next;
    
        /** 获取同步状态的线程 */
        volatile Thread thread;
    
        Node nextWaiter;
    
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }
    
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }
    
        Node() {
        }
    
        Node(Thread thread, Node mode) {
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }
    
        Node(Thread thread, int waitStatus) {
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    }
    
     

    CLH同步队列结构图如下:

    201701240001

    入列

    学了数据结构的我们,CLH队列入列是再简单不过了,无非就是tail指向新节点、新节点的prev指向当前最后的节点,当前最后一个节点的next指向当前节点。代码我们可以看看addWaiter(Node node)方法:

        private Node addWaiter(Node mode) {
            //新建Node
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            //快速尝试添加尾节点
            Node pred = tail;
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                //CAS设置尾节点
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            //多次尝试
            enq(node);
            return node;
        }private Node addWaiter(Node mode) {
            //新建Node
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            //快速尝试添加尾节点
            Node pred = tail;
            if (pred != null) {
                node.prev = pred;
                //CAS设置尾节点
                if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                    pred.next = node;
                    return node;
                }
            }
            //多次尝试
            enq(node);
            return node;
        }

    addWaiter(Node node)先通过快速尝试设置尾节点,如果失败,则调用enq(Node node)方法设置尾节点

        private Node enq(final Node node) {
            //多次尝试,直到成功为止
            for (;;) {
                Node t = tail;
                //tail不存在,设置为首节点
                if (t == null) {
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else {
                    //设置为尾节点
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }private Node enq(final Node node) {
            //多次尝试,直到成功为止
            for (;;) {
                Node t = tail;
                //tail不存在,设置为首节点
                if (t == null) {
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        tail = head;
                } else {
                    //设置为尾节点
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }

    在上面代码中,两个方法都是通过一个CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)来设置尾节点,该方法可以确保节点是线程安全添加的。在enq(Node node)方法中,AQS通过“死循环”的方式来保证节点可以正确添加,只有成功添加后,当前线程才会从该方法返回,否则会一直执行下去。

    过程图如下:

    1485225206860201701240002

    出列

    CLH同步队列遵循FIFO,首节点的线程释放同步状态后,将会唤醒它的后继节点(next),而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点,这个过程非常简单,head执行该节点并断开原首节点的next和当前节点的prev即可,注意在这个过程是不需要使用CAS来保证的,因为只有一个线程能够成功获取到同步状态。过程图如下:

    201701240003

     

     

     

    AQS 结构

    先来看看 AQS 有哪些属性,搞清楚这些基本就知道 AQS 是什么套路了,毕竟可以猜嘛!

    // 头结点,你直接把它当做 当前持有锁的线程 可能是最好理解的
    private transient volatile Node head;
    // 阻塞的尾节点,每个新的节点进来,都插入到最后,也就形成了一个隐视的链表
    private transient volatile Node tail;
    // 这个是最重要的,不过也是最简单的,代表当前锁的状态,0代表没有被占用,大于0代表有线程持有当前锁
    // 之所以说大于0,而不是等于1,是因为锁可以重入嘛,每次重入都加上1
    private volatile int state;
    // 代表当前持有独占锁的线程,举个最重要的使用例子,因为锁可以重入
    // reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次,所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
    // if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
    private transient Thread exclusiveOwnerThread; //继承自AbstractOwnableSynchronizer
    
    

    怎么样,看样子应该是很简单的吧,毕竟也就四个属性啊。

    AbstractQueuedSynchronizer 的等待队列示意如下所示,注意了,之后分析过程中所说的 queue,也就是阻塞队列不包含 head,不包含 head,不包含 head。

    aqs-0

    等待队列中每个线程被包装成一个 node,数据结构是链表,一起看看源码吧:

    static final class Node {
        /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
        // 标识节点当前在共享模式下
        static final Node SHARED = new Node();
        /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
        // 标识节点当前在独占模式下
        static final Node EXCLUSIVE = null;
    
        // ======== 下面的几个int常量是给waitStatus用的 ===========
        /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        // 代码此线程取消了争抢这个锁
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
        // 官方的描述是,其表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        // 本文不分析condition,所以略过吧,下一篇文章会介绍这个
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate
         */
        // 同样的不分析,略过吧
        static final int PROPAGATE = -3;
        // =====================================================
    
        // 取值为上面的1、-1、-2、-3,或者0(以后会讲到)
        // 这么理解,暂时只需要知道如果这个值 大于0 代表此线程取消了等待,
        // 也许就是说半天抢不到锁,不抢了,ReentrantLock是可以指定timeouot的。。。
        volatile int waitStatus;
        // 前驱节点的引用
        volatile Node prev;
        // 后继节点的引用
        volatile Node next;
        // 这个就是线程本尊
        volatile Thread thread;
    
    }
    
    

    Node 的数据结构其实也挺简单的,就是 thread + waitStatus + pre + next 四个属性而已,大家先要有这个概念在心里。

    上面的是基础知识,后面会多次用到,心里要时刻记着它们,心里想着这个结构图就可以了。下面,我们开始说 ReentrantLock 的公平锁。多嘴一下,我说的阻塞队列不包含 head 节点。

    aqs-0

    首先,我们先看下 ReentrantLock 的使用方式。

    // 我用个web开发中的service概念吧
    public class OrderService {
        // 使用static,这样每个线程拿到的是同一把锁,当然,spring mvc中service默认就是单例,别纠结这个
        private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);
    
        public void createOrder() {
            // 比如我们同一时间,只允许一个线程创建订单
            reentrantLock.lock();
            // 通常,lock 之后紧跟着 try 语句
            try {
                // 这块代码同一时间只能有一个线程进来(获取到锁的线程),
                // 其他的线程在lock()方法上阻塞,等待获取到锁,再进来
                // 执行代码...
                // 执行代码...
                // 执行代码...
            } finally {
                // 释放锁
                reentrantLock.unlock();
            }
        }
    }
    
    

    ReentrantLock 在内部用了内部类 Sync 来管理锁,所以真正的获取锁和释放锁是由 Sync 的实现类来控制的。

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    
    }
    
    

    Sync 有两个实现,分别为 NonfairSync(非公平锁)和 FairSync(公平锁),我们看 FairSync 部分。

    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
    
    

    线程抢锁

    很多人肯定开始嫌弃上面废话太多了,下面跟着代码走,我就不废话了。

    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
          // 争锁
        final void lock() {
            acquire(1);
        }
          // 来自父类AQS,我直接贴过来这边,下面分析的时候同样会这样做,不会给读者带来阅读压力
        // 我们看到,这个方法,如果tryAcquire(arg) 返回true, 也就结束了。
        // 否则,acquireQueued方法会将线程压到队列中
        public final void acquire(int arg) { // 此时 arg == 1
            // 首先调用tryAcquire(1)一下,名字上就知道,这个只是试一试
            // 因为有可能直接就成功了呢,也就不需要进队列排队了,
            // 对于公平锁的语义就是:本来就没人持有锁,根本没必要进队列等待(又是挂起,又是等待被唤醒的)
            if (!tryAcquire(arg) &&
                // tryAcquire(arg)没有成功,这个时候需要把当前线程挂起,放到阻塞队列中。
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
                  selfInterrupt();
            }
        }
    
        /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        // 尝试直接获取锁,返回值是boolean,代表是否获取到锁
        // 返回true:1.没有线程在等待锁;2.重入锁,线程本来就持有锁,也就可以理所当然可以直接获取
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            // state == 0 此时此刻没有线程持有锁
            if (c == 0) {
                // 虽然此时此刻锁是可以用的,但是这是公平锁,既然是公平,就得讲究先来后到,
                // 看看有没有别人在队列中等了半天了
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    // 如果没有线程在等待,那就用CAS尝试一下,成功了就获取到锁了,
                    // 不成功的话,只能说明一个问题,就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了
                    // 因为刚刚还没人的,我判断过了
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    // 到这里就是获取到锁了,标记一下,告诉大家,现在是我占用了锁
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
              // 会进入这个else if分支,说明是重入了,需要操作:state=state+1
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            // 如果到这里,说明前面的if和else if都没有返回true,说明没有获取到锁
            // 回到上面一个外层调用方法继续看:
            // if (!tryAcquire(arg) 
            //        && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
            //     selfInterrupt();
            return false;
        }
    
        // 假设tryAcquire(arg) 返回false,那么代码将执行:
          //        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg),
        // 这个方法,首先需要执行:addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
    
        /**
         * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
         *
         * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
         * @return the new node
         */
        // 此方法的作用是把线程包装成node,同时进入到队列中
        // 参数mode此时是Node.EXCLUSIVE,代表独占模式
        private Node addWaiter(Node mode) {
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
            // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
            // 以下几行代码想把当前node加到链表的最后面去,也就是进到阻塞队列的最后
            Node pred = tail;
    
            // tail!=null => 队列不为空(tail==head的时候,其实队列是空的,不过不管这个吧)
            if (pred != null) { 
                // 设置自己的前驱 为当前的队尾节点
                node.prev = pred; 
                // 用CAS把自己设置为队尾, 如果成功后,tail == node了
                if (compareAndSetTail(pred, node)) { 
                    // 进到这里说明设置成功,当前node==tail, 将自己与之前的队尾相连,
                    // 上面已经有 node.prev = pred
                    // 加上下面这句,也就实现了和之前的尾节点双向连接了
                    pred.next = node;
                    // 线程入队了,可以返回了
                    return node;
                }
            }
            // 仔细看看上面的代码,如果会到这里,
            // 说明 pred==null(队列是空的) 或者 CAS失败(有线程在竞争入队)
            // 读者一定要跟上思路,如果没有跟上,建议先不要往下读了,往回仔细看,否则会浪费时间的
            enq(node);
            return node;
        }
    
        /**
         * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
         * @param node the node to insert
         * @return node's predecessor
         */
        // 采用自旋的方式入队
        // 之前说过,到这个方法只有两种可能:等待队列为空,或者有线程竞争入队,
        // 自旋在这边的语义是:CAS设置tail过程中,竞争一次竞争不到,我就多次竞争,总会排到的
        private Node enq(final Node node) {
            for (;;) {
                Node t = tail;
                // 之前说过,队列为空也会进来这里
                if (t == null) { // Must initialize
                    // 初始化head节点
                    // 细心的读者会知道原来head和tail初始化的时候都是null,反正我不细心
                    // 还是一步CAS,你懂的,现在可能是很多线程同时进来呢
                    if (compareAndSetHead(new Node()))
                        // 给后面用:这个时候head节点的waitStatus==0, 看new Node()构造方法就知道了
    
                        // 这个时候有了head,但是tail还是null,设置一下,
                        // 把tail指向head,放心,马上就有线程要来了,到时候tail就要被抢了
                        // 注意:这里只是设置了tail=head,这里可没return哦,没有return,没有return
                        // 所以,设置完了以后,继续for循环,下次就到下面的else分支了
                        tail = head;
                } else {
                    // 下面几行,和上一个方法 addWaiter 是一样的,
                    // 只是这个套在无限循环里,反正就是将当前线程排到队尾,有线程竞争的话排不上重复排
                    node.prev = t;
                    if (compareAndSetTail(t, node)) {
                        t.next = node;
                        return t;
                    }
                }
            }
        }
    
        // 现在,又回到这段代码了
        // if (!tryAcquire(arg) 
        //        && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) 
        //     selfInterrupt();
    
        // 下面这个方法,参数node,经过addWaiter(Node.EXCLUSIVE),此时已经进入阻塞队列
        // 注意一下:如果acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))返回true的话,
        // 意味着上面这段代码将进入selfInterrupt(),所以正常情况下,下面应该返回false
        // 这个方法非常重要,应该说真正的线程挂起,然后被唤醒后去获取锁,都在这个方法里了
        final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
            boolean failed = true;
            try {
                boolean interrupted = false;
                for (;;) {
                    final Node p = node.predecessor();
                    // p == head 说明当前节点虽然进到了阻塞队列,但是是阻塞队列的第一个,因为它的前驱是head
                    // 注意,阻塞队列不包含head节点,head一般指的是占有锁的线程,head后面的才称为阻塞队列
                    // 所以当前节点可以去试抢一下锁
                    // 这里我们说一下,为什么可以去试试:
                    // 首先,它是队头,这个是第一个条件,其次,当前的head有可能是刚刚初始化的node,
                    // enq(node) 方法里面有提到,head是延时初始化的,而且new Node()的时候没有设置任何线程
                    // 也就是说,当前的head不属于任何一个线程,所以作为队头,可以去试一试,
                    // tryAcquire已经分析过了, 忘记了请往前看一下,就是简单用CAS试操作一下state
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    // 到这里,说明上面的if分支没有成功,要么当前node本来就不是队头,
                    // 要么就是tryAcquire(arg)没有抢赢别人,继续往下看
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        interrupted = true;
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }
    
        /**
         * Checks and updates status for a node that failed to acquire.
         * Returns true if thread should block. This is the main signal
         * control in all acquire loops.  Requires that pred == node.prev
         *
         * @param pred node's predecessor holding status
         * @param node the node
         * @return {@code true} if thread should block
         */
        // 刚刚说过,会到这里就是没有抢到锁呗,这个方法说的是:"当前线程没有抢到锁,是否需要挂起当前线程?"
        // 第一个参数是前驱节点,第二个参数才是代表当前线程的节点
        private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
            int ws = pred.waitStatus;
            // 前驱节点的 waitStatus == -1 ,说明前驱节点状态正常,当前线程需要挂起,直接可以返回true
            if (ws == Node.SIGNAL)
                /*
                 * This node has already set status asking a release
                 * to signal it, so it can safely park.
                 */
                return true;
    
            // 前驱节点 waitStatus大于0 ,之前说过,大于0 说明前驱节点取消了排队。这里需要知道这点:
            // 进入阻塞队列排队的线程会被挂起,而唤醒的操作是由前驱节点完成的。
            // 所以下面这块代码说的是将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点,
            // 简单说,就是为了找个好爹,因为你还得依赖它来唤醒呢,如果前驱节点取消了排队,
            // 找前驱节点的前驱节点做爹,往前循环总能找到一个好爹的
            if (ws > 0) {
                /*
                 * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
                 * indicate retry.
                 */
                do {
                    node.prev = pred = pred.prev;
                } while (pred.waitStatus > 0);
                pred.next = node;
            } else {
                /*
                 * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
                 * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
                 * retry to make sure it cannot acquire before parking.
                 */
                // 仔细想想,如果进入到这个分支意味着什么
                // 前驱节点的waitStatus不等于-1和1,那也就是只可能是0,-2,-3
                // 在我们前面的源码中,都没有看到有设置waitStatus的,所以每个新的node入队时,waitStatu都是0
                // 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1)
                compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
            }
            return false;
        }
    
        // private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)
        // 这个方法结束根据返回值我们简单分析下:
        // 如果返回true, 说明前驱节点的waitStatus==-1,是正常情况,那么当前线程需要被挂起,等待以后被唤醒
        //        我们也说过,以后是被前驱节点唤醒,就等着前驱节点拿到锁,然后释放锁的时候叫你好了
        // 如果返回false, 说明当前不需要被挂起,为什么呢?往后看
    
        // 跳回到前面是这个方法
        // if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
        //                parkAndCheckInterrupt())
        //                interrupted = true;
    
        // 1\. 如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回true,
        // 那么需要执行parkAndCheckInterrupt():
    
        // 这个方法很简单,因为前面返回true,所以需要挂起线程,这个方法就是负责挂起线程的
        // 这里用了LockSupport.park(this)来挂起线程,然后就停在这里了,等待被唤醒=======
        private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
            LockSupport.park(this);
            return Thread.interrupted();
        }
    
        // 2\. 接下来说说如果shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的情况
    
       // 仔细看shouldParkAfterFailedAcquire(p, node),我们可以发现,其实第一次进来的时候,一般都不会返回true的,原因很简单,前驱节点的waitStatus=-1是依赖于后继节点设置的。也就是说,我都还没给前驱设置-1呢,怎么可能是true呢,但是要看到,这个方法是套在循环里的,所以第二次进来的时候状态就是-1了。
    
        // 解释下为什么shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)返回false的时候不直接挂起线程:
        // => 是为了应对在经过这个方法后,node已经是head的直接后继节点了。剩下的读者自己想想吧。
    }
    
    

    说到这里,也就明白了,多看几遍 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) 这个方法吧。自己推演下各个分支怎么走,哪种情况下会发生什么,走到哪里。

    解锁操作

    最后,就是还需要介绍下唤醒的动作了。我们知道,正常情况下,如果线程没获取到锁,线程会被 LockSupport.park(this); 挂起停止,等待被唤醒。

    // 唤醒的代码还是比较简单的,你如果上面加锁的都看懂了,下面都不需要看就知道怎么回事了
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    
    public final boolean release(int arg) {
        // 往后看吧
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // 回到ReentrantLock看tryRelease方法
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 是否完全释放锁
        boolean free = false;
        // 其实就是重入的问题,如果c==0,也就是说没有嵌套锁了,可以释放了,否则还不能释放掉
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
    
    /**
     * Wakes up node's successor, if one exists.
     *
     * @param node the node
     */
    // 唤醒后继节点
    // 从上面调用处知道,参数node是head头结点
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        /*
         * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
         * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
         * fails or if status is changed by waiting thread.
         */
        int ws = node.waitStatus;
        // 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0
        if (ws < 0)
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        /*
         * Thread to unpark is held in successor, which is normally
         * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
         * traverse backwards from tail to find the actual
         * non-cancelled successor.
         */
        // 下面的代码就是唤醒后继节点,但是有可能后继节点取消了等待(waitStatus==1)
        // 从队尾往前找,找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            // 从后往前找,仔细看代码,不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            // 唤醒线程
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
    
    

    唤醒线程以后,被唤醒的线程将从以下代码中继续往前走:

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this); // 刚刚线程被挂起在这里了
        return Thread.interrupted();
    }
    // 又回到这个方法了:acquireQueued(final Node node, int arg),这个时候,node的前驱是head了
    
    

    好了,后面就不分析源码了,剩下的还有问题自己去仔细看看代码吧。

    总结

    总结一下吧。

    在并发环境下,加锁和解锁需要以下三个部件的协调:

    1. 锁状态。我们要知道锁是不是被别的线程占有了,这个就是 state 的作用,它为 0 的时候代表没有线程占有锁,可以去争抢这个锁,用 CAS 将 state 设为 1,如果 CAS 成功,说明抢到了锁,这样其他线程就抢不到了,如果锁重入的话,state进行+1 就可以,解锁就是减 1,直到 state 又变为 0,代表释放锁,所以 lock() 和 unlock() 必须要配对啊。然后唤醒等待队列中的第一个线程,让其来占有锁。
    2. 线程的阻塞和解除阻塞。AQS 中采用了 LockSupport.park(thread) 来挂起线程,用 unpark 来唤醒线程。
    3. 阻塞队列。因为争抢锁的线程可能很多,但是只能有一个线程拿到锁,其他的线程都必须等待,这个时候就需要一个 queue 来管理这些线程,AQS 用的是一个 FIFO 的队列,就是一个链表,每个 node 都持有后继节点的引用。AQS 采用了 CLH 锁的变体来实现,感兴趣的读者可以参考这篇文章关于CLH的介绍,写得简单明了。

    示例图解析

    下面属于回顾环节,用简单的示例来说一遍,如果上面的有些东西没看懂,这里还有一次帮助你理解的机会。

    首先,第一个线程调用 reentrantLock.lock(),翻到最前面可以发现,tryAcquire(1) 直接就返回 true 了,结束。只是设置了 state=1,连 head 都没有初始化,更谈不上什么阻塞队列了。要是线程 1 调用 unlock() 了,才有线程 2 来,那世界就太太太平了,完全没有交集嘛,那我还要 AQS 干嘛。

    如果线程 1 没有调用 unlock() 之前,线程 2 调用了 lock(), 想想会发生什么?

    线程 2 会初始化 head【new Node()】,同时线程 2 也会插入到阻塞队列并挂起 (注意看这里是一个 for 循环,而且设置 head 和 tail 的部分是不 return 的,只有入队成功才会跳出循环)

    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;
                }
            }
        }
    }
    
    

    首先,是线程 2 初始化 head 节点,此时 head==tail, waitStatus==0

    aqs-1

    然后线程 2 入队:

    aqs-2

    同时我们也要看此时节点的 waitStatus,我们知道 head 节点是线程 2 初始化的,此时的 waitStatus 没有设置, java 默认会设置为 0,但是到 shouldParkAfterFailedAcquire 这个方法的时候,线程 2 会把前驱节点,也就是 head 的waitStatus设置为-1。

    那线程 2 节点此时的 waitStatus 是多少呢,由于没有设置,所以是 0;

    如果线程3此时再进来,直接插到线程2的后面就可以了,此时线程 3 的 waitStatus 是 0,到 shouldParkAfterFailedAcquire 方法的时候把前驱节点线程 2 的 waitStatus 设置为 -1。

    aqs-3

    这里可以简单说下 waitStatus 中 SIGNAL(-1) 状态的意思,Doug Lea 注释的是:代表后继节点需要被唤醒。也就是说这个 waitStatus 其实代表的不是自己的状态,而是后继节点的状态,我们知道,每个 node 在入队的时候,都会把前驱节点的状态改为 SIGNAL,然后阻塞,等待被前驱唤醒。这里涉及的是两个问题:有线程取消了排队、唤醒操作。其实本质是一样的,读者也可以顺着 “waitStatus代表后继节点的状态” 这种思路去看一遍源码。

    (全文完)

     

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