JUC-从ReentrantLock的实现看AQS的原理

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1.什么是AQS

Java中的大部分同步类（Lock、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。

2.AQS类的结构

AQS类的结构 head 头指针 tail 尾指针 state 状态

Node结构如下

相关解释

3.AQS的基本原理

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：

4.从ReentrantLock的实现看AQS的原理

假设有三个线程都要获取lock

抢到锁的线程 会将state状态由0改为1，这个时候其他线程没抢到 就会执行挂起抢占逻辑

也就是下图的 acquire()方法

我们打开查看acquire方法

按循序执行了三个方法

tryAcquire(arg)

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

第一个方法 tryAcquire尝试抢占：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //状态为0直接抢占到
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //是否是自己本身 可重入锁的实现
    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;
}
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正如上文所说的 第一个线程已经将state由0改成了1 并且在执行中，第二个线程此时 抢不到返回为false

接着就会执行addWaiter（）方法

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;
}
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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;
            }
        }
    }
}
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由于第二个线程是第一个进来抢占的 所以tail为空 需要先构建双向队列 执行enq方法 该方法先创建了一个哨兵节点作为head 然后将第二个线程封装的节点放在了其后面 尾指针指向第二个线程的节点 如下图所示

接下来 会进入acquireQueued()方法

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            //上一个节点为头节点 尝试抢占
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //由于第一个线程还未释放锁 state状态还是1 所以抢占失败 进入下面逻辑
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
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第二个线程节点上一个节点为头节点 尝试抢占，由于第一个线程还未释放锁 state状态还是1 所以抢占失败 进入下面逻辑shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)&& parkAndCheckInterrupt()

先看第一个方法

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    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.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}
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进入的时候节点的前一个节点waitstatus为0 将waitstatus状态改为-1表示进入阻塞 返回false 接着上一步的自旋，此时又抢占失败 进入了这个方法，由于waitstatus状态已经为-1 所以返回true 进入第二个方法 parkAndCheckInterrupt()

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}
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这个方法使用LockSupport.park(this) 精准park了这个线程 此时 线程二阻塞在这一行代码。

就在此时线程一跑完了 执行了unlock方法 我们来看下unlock方法

public void unlock() {
    sync.release(1);
}
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使用下面方法释放锁 将setExclusiveOwnerThread设置为null state设置为0

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}
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将state改为0之后 拿到队列的头节点 由于头节点在上面已经不为空 并且waitstatus被改为了-1，这个时候执行unparkSuccessor（）

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

private void unparkSuccessor(Node node) {
    
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
   
    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;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}
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现将节点状态改为0 然后使用LockSupport精准唤醒节点的下一个结点 也就是第二个线程的节点，此时第二个线程被唤醒

此时state状态为0 进入第一个if逻辑抢锁成功，将自己设置为头节点 并清除和上一个头节点的引用，帮助垃圾回收

如此 循环往复 就是AQS实现ReentrantLock的基本原理了

本文着重介绍了ReentrantLock lock unlock方法，里面还有取消中断等逻辑，本文不做叙述，有机会再跟大家聊聊