Java的AQS详解1--独占锁的获取及释放
其实，很早之前就写过一篇浅谈Java的AQS，当时对AQS的运作机制有了大致的掌握，但可能源码还是没完全吃透，有些细节还是云里雾里。
最近又过了一遍AQS源码，觉得体悟更深了些，怕时间久了遗忘掉，记录下来方便后面查阅。
为避免篇幅较长，将这部分2篇来讲解，本文为第1篇，主要讲解AQS独占锁的获取及释放。
加锁
独占锁加锁的方法入口为acquire(int arg);
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
主要分成以下3个步骤：
- 首先执行tryAcquire(arg)方法尝试获取锁，成功则当前线程获取到锁；
- 若失败，则将当前线程封装成独占(EXCLUSIVE)节点追加到阻塞队列，并执行acquireQueued方法；
- 执行acquireQueued方法过程中，若当前线程被标记为中断，则执行selfInterrupt()方法将中断响应掉。
tryAcquire方法是由AQS实现类来定义的，没啥可讲的。
addWaiter
首先看一下，独占节点加入阻塞队列的过程，即addWaiter方法:
private Node addWaiter(Node mode) {
// 将当前线程包装成mode模式的Node节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 首先尝试快速入队
Node pred = tail;
// 如果队列的尾结点不为null
if (pred != null) {
// 当前节点的前置指向当前尾结点
node.prev = pred;
// 将当前节点设置为尾结点
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 快速入队失败的话，则执行自旋入队
enq(node);
// 返回当前节点
return node;
}
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 若尾结点为null，说明当前队列为空，需要初始化
if (t == null) { // Must initialize
// 设置头结点为new Node()
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 尾结点为头结点
// 注意，此处并没有返回，而是继续自旋，进入下次循环，也就是说，头结点是个空节点
tail = head;
} else {
// 当前节点的前置指针指向当前的尾结点
node.prev = t;
// 将当前节点设置为尾结点
if (compareAndSetTail(t, node)) {
// 之前的尾结点next指针指向当前的尾结点
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
整个入队过程如下图所示:
1.jpg
acquireQueued
该线程封装成Node节点进入队列后，紧接着会执行acquireQueued方法。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 执行失败标志
boolean failed = true;
try {
// 中断标志
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取该节点的前继节点
final Node p = node.predecessor();
// 若该节点的前继节点为head节点，则执行tryAcquire方法尝试获取锁(head节点的状态未被设置为SIGNAL前，将一直自旋执行tryAcquire方法尝试获取锁)
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 获取锁成功，则将该节点置为head节点
setHead(node);
// 原head节点的next置为null，以方便GC回收掉
p.next = null; // help GC
// 失败标志置为false，即执行成功
failed = false;
// 返回中断标志(阻塞被唤醒后会检查中断标志位，如果中断过，则为true，否则为默认值false)
return interrupted;
}
// 2种情况: 前继节点为head结点，但尝试获取锁失败; 前继节点不为head节点
// 首先执行shouldParkAfterFailedAcquire判断是否需要将该线程阻塞(注意执行完该方法，线程还未阻塞，只是判断时候可以阻塞而已)
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// parkAndCheckInterrupt将该线程阻塞
// 阻塞被唤醒后，会检查阻塞挂起期间该线程是否被中断过，若中断过，则将interrupted置为true
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
// 若失败，当前节点放弃获取锁
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
可以看到，acquireQueued方法返回的是线程的中断标志，其有2个返回的时机:
- 若该线程入队后，发现其前继节点为head，则会再次尝试获取锁，如果获取锁成功，则该节点升级为head，并返回中断标志false；
- 线程入队之后，并被阻塞挂起，唤醒后将先执行Thread.interrupted()判断其阻塞期间该线程是否被中断过，若中断过，则返回true，否则返回false，所以，线程的中断是延迟响应的。
shouldParkAfterFailedAcquire
- 如果其前继节点>0，则直接忽略，寻找前继的前继，直到前继节点的状态<=0；
- 前继节点的状态<=0，则自旋CAS将其状态修改为SIGNAL；
- 仅有其有效前继节点的状态为SIGNAL时，该方法才会返回true。
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 第1个if分支
// 若该节点的前继节点的状态为SIGNAL(-1)，则代表可安全阻塞挂起(park)，返回true
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 第2个if分支
// 若该节点的前继节点的状态>0，即CANCELLED(1)，则不断往前遍历，直到某个节点的状态不大于0(<=0)
if (ws > 0) {
do {
// 不断往前遍历
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
// 将第1个符合条件的节点的next指针指向node
// 此处会跳出if循环，然后返回false，再次进入到acquireQueued方法的自旋循环中(;;)，再次执行shouldParkAfterFailedAcquire时，node节点的前继节点的状态肯定<=0，不会再进入该if分支，若前继节点的状态为SIGNAL(-1)，进入第1个if分支，否则进入到第3个分支
// 第3个if分支
} 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.
*/
// node前继节点的状态为0或者PROPAGATE(-3)，则执行CAS将该前继节点的状态设置为SIGNAL(-1)
// 主要前继节点未被CAS设置为SIGNAL(-1)，则外层acquireQueued方法的自旋(;;)将一直跳转到该if分支中，直到前继节点被CAS设置为SIGNAL(-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
parkAndCheckInterrupt
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
// 将该线程挂起，执行到此处，线程就被阻塞挂起睡大觉去了，不会再往下执行；
// 同时，最外层的自旋(;;)也停止了，只能等待被唤醒后再继续自旋
LockSupport.park(this);
// 线程在此处被唤醒，执行Thread.interrupted()判断阻塞期间是否被中断过
return Thread.interrupted();
}
cancelAcquire
获取锁或者阻塞过程中，线程宕掉(系统异常或手动kill线程)，则会进入到acquireQueued的finally代码里，并判断failed是否为true，若为true则执行cancelAcquire方法放弃获取锁。
private void cancelAcquire(Node node) {
// 如果该节点为null，则直接返回
if (node == null)
return;
// 将节点携带的线程置为null
node.thread = null;
// 从node往前遍历，找到第1个<=0(不为CANCELLED)的前置节点pred
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;
// 获取pred的直接后置节点(中间有CANCELLED节点的话，则predNext != node)
Node predNext = pred.next;
// 将该节点的状态置为CANCELLED
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
// 如果node为尾结点，则将pred设置为新的尾结点，并将pred的后继指针置为null
if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
// 若node不为尾结点
} else {
int ws;
// 前继节点不是head、前继节点的状态为SIGNAL(-1)且pred.thread不为null
if (pred != head &&
// 会尝试1次将前继节点的状态修改为SIGNAL(-1)
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
// 如果node的后继节点不为null，且状态<=0，则将pred的next指针指向node的后继节点
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
// 前继节点不是head节点，但是状态不为SIGNAL(-1)或者前继节点为head节点
// 也就是前置节点没有“叫醒服务”，则node节点直接叫醒后继的线程
} else {
unparkSuccessor(node);
}
// 将node的next指针指向自己，方便被GC
node.next = node; // help GC
}
}
主要分成4种情况：
- node节点为tail节点
2.jpg
当前节点已经为tail结点了，说明没啥后继节点需要去“唤醒”，直接执行出队操作即可。
- node的前置节点为head节点(且node不为tail节点)
4.jpg
直接唤醒后继节点的线程。
- node的前置节点不为为head节点，且状态值为SIGNAL(-1)(且node不为tail节点)
3.jpg
可以看到，该种情况下，cancelAcquire方法仅是将pred的后继指针指向next节点，并将node的状态标记为CANCELLED(1)，但node及next节点的前继指针并没有改变，这样会导致出问题吗？答案是不会的。
当next节点被唤醒后(pred节点cancel获取锁、pred成为head节点并release锁)，将重新进入到acquireQueued方法的自旋(;;)中，每次自旋均会先获取next的前继节点，此时为标记为CANCELLED(1)状态的node节点，显然不是head节点，将会接着执行shouldParkAfterFailedAcquire方法:
// 若该节点的前继节点的状态>0，即CANCELLED(1)，则不断往前遍历，直到某个节点的状态不大于0(<=0)
if (ws > 0) {
do {
// 不断往前遍历
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
可以看到，此时next节点的前继指针直接指向了pred节点，完成了前继指针的调整。
- node的前置节点不为为head节点，且状态值为不为SIGNAL(-1)(且node不为tail节点)
6.jpg
该种情况下，node会直接唤醒next的线程，唤醒之后的线程将进入shouldParkAfterFailedAcquire方法，在shouldParkAfterFailedAcquire方法未返回true之前，会一直自旋执行直到将next的前置节点pred的状态值设置为SIGNAL(-1)。
用个通俗的例子来概括整个过程:
相当于，我在队伍中间因为某种原因不想排队了，但是我有1个任务，就是需要叫醒排在我后面睡觉的人。
如果我已经是队尾了，没有排在我后面人需要被唤醒，那我直接离队就可以。
如果排在我前面的人已经是队头了，则直接叫醒排在我后面的人，让他去获取锁。
如果排在我前面的人不是队头，那么我会先尝试把这个任务交给排在我前面的人，如果前面的人同意，我就会把排在我后面的人告诉他(把他的后继指针指向排在我后面的人)。
如果不同意，那我直接叫醒排在我后面的人，让他自己去求排在我前面的人，直到前面的人同意叫醒他，他再次睡去。
自此，AQS独占锁的获取过程我们就讲解完了，代码不多，但其设计真的很精巧，值得反复咀嚼体会。
解锁
解锁的方法入口为release(int arg)：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
tryRelease方法由AQS继承类实现，没啥可说的。
如果head节点不为null且其状态不等于0，执行unparkSuccessor(h)唤醒head节点的后继节点：
private void unparkSuccessor(Node node) {
// 获取当前节点的ws值
int ws = node.waitStatus;
// 将当前节点的ws值置0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 若后继节点为null或者其ws值大于0(放弃状态)，则从等待队列的尾节点从后往前搜索，
// 搜索到等待队列中最靠前的ws值非正且非null的节点
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;
}
// 如果后继节点非null，则唤醒该后继节点持有的线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
线程被唤醒后，会进入到parkAndCheckInterrupt()方法的"return Thread.interrupted();"语句中修改线程中断标志，然后自旋(;;)再进入到acquireQueued()的if (p == head && tryAcquire(arg))的判断中，此时被唤醒的线程将尝试获取资源，同时原先的head节点出列，该节点成为新的head节点，相当于队列往前移动了。
