并发编程——详解 AQS CLH 锁
- 从 acquire 方法开始 —— 获取
- 为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点
- reelase 方法如何释放锁
- 总结
前言
AQS 是 JUC 中的核心，其中封装了资源的获取和释放，在我们之前的 并发编程之 AQS 源码剖析 文章中，我们已经从 ReentranLock 那里分析了锁的获取和释放。但我有必要再次解释 AQS 的核心 CLH 锁。
这里引用一下别人对于 CLH 的解释：
CLH CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks): 是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。
CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。
Java AQS 的设计对 CLH 锁进行了优化或者说变体。
我们还是从代码开始说起吧。
1. 从 acquire 方法开始 —— 获取
acquire 方法是获取锁的常用方法。代码如下：
public final void acquireQueued(int arg) {
// 当 tryAcquire 返回 true 就说明获取到锁了，直接结束。
// 反之，返回 false 的话，就需要执行后面的方法。
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
只要子类的 tryAcquire 方法返回 false，那么就说明获取锁事变，就需要将自己加入队列。
private Node addWaiter(Node mode) {
// 创建一个独占类型的节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
// 如果 tail 节点不是 null，就将新节点的 pred 节点设置为 tail 节点。
// 并且将新节点设置成 tail 节点。
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
// 如果 tail 节点是 null，或者 CAS 设置 tail 失败。
// 在 enq 方法中处理
enq(node);
return node;
}
将自己加入了尾部，并更新了 tail 节点。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 如果 tail 是 null，就创建一个虚拟节点，同时指向 head 和 tail，称为 初始化。
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {// 如果不是 null
// 和 上个方法逻辑一样，将新节点追加到 tail 节点后面，并更新队列的 tail 为新节点。
// 只不过这里是死循环的，失败了还可以再来 。
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
enq 方法的逻辑是什么呢？当 tail 是 null（没有初始化队列），就需要初始化队列了。CAS 设置 tail 失败，也会走这里，需要在 enq 方法中循环设置 tail。直到成功。
注意：这里会创建一个虚拟节点。
2. 为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点
为什么要创建一个虚拟节点呢？
事情要从 Node 类的 waitStatus 变量说起，简称 ws。每个节点都有一个 ws 变量，用于这个节点状态的一些标志。初始状态是 0。如果被取消了，节点就是 1，那么他就会被 AQS 清理。
还有一个重要的状态：SIGNAL —— -1，表示：当当前节点释放锁的时候，需要唤醒下一个节点。
所有，每个节点在休眠前，都需要将前置节点的 ws 设置成 SIGNAL。否则自己永远无法被唤醒。
而为什么需要这么一个 ws 呢？—— 防止重复操作。假设，当一个节点已经被释放了，而此时另一个线程不知道，再次释放。这时候就错误了。
所以，需要一个变量来保证这个节点的状态。而且修改这个节点，必须通过 CAS 操作保证线程安全。
So，回到我们之前的问题：为什么要创建一个虚拟节点呢？
每个节点都必须设置前置节点的 ws 状态为 SIGNAL，所以必须要一个前置节点，而这个前置节点，实际上就是当前持有锁的节点。
问题在于有个边界问题：第一个节点怎么办？他是没有前置节点的。
那就创建一个假的。
这就是为什么要创建一个虚拟节点的原因。
总结下来就是：每个节点都需要设置前置节点的 ws 状态（这个状态为是为了保证数据一致性），而第一个节点是没有前置节点的，所以需要创建一个虚拟节点。
回到我们的 acquireQueued 方法证实一下：
// 这里返回的节点是新创建的节点，arg 是请求的数量
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 找上一个节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果上一个节点是 head ，就尝试获取锁
// 如果 获取成功，就将当前节点设置为 head，注意 head 节点是永远不会唤醒的。
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 在获取锁失败后，就需要阻塞了。
// shouldParkAfterFailedAcquire ---> 检查上一个节点的状态，如果是 SIGNAL 就阻塞，否则就改成 SIGNAL。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这个方法有 2 个逻辑：
- 如何将自己挂起？
- 被唤醒之后做什么？
先回答第二个问题： 被唤醒之后做什么？
尝试拿锁，成功之后，将自己设置为 head，断开和 next 的连接。
再看第二个问题：如何将自己挂起？
注意：挂起自己之前，需要将前置节点的 ws 状态设置成 SIGNAL，告诉他：你释放锁的时候记得唤醒我。
具体逻辑在 shouldParkAfterFailedAcquire 方法中：
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 如果他的上一个节点的 ws 是 SIGNAL，他就需要阻塞。
if (ws == Node.SIGNAL)
// 阻塞
return true;
// 前任被取消。 跳过前任并重试。
if (ws > 0) {
do {
// 将前任的前任 赋值给 当前的前任
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
// 将前任的前任的 next 赋值为 当前节点
pred.next = node;
} else {
// 如果没有取消 || 0 || CONDITION || PROPAGATE，那么就将前任的 ws 设置成 SIGNAL.
// 为什么必须是 SIGNAL 呢？
// 答：希望自己的上一个节点在释放锁的时候，通知自己（让自己获取锁）
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
// 重来
return false;
}
该方法的主要逻辑就是将前置节点的状态修改成 SIGNAL。其中如果前置节点被取消了，就跳过他。
那么肯定，在前置节点释放锁的时候，肯定会唤醒这个节点。看看释放的逻辑吧。
3. reelase 方法如何释放锁
先来一波代码:
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 所有的节点在将自己挂起之前，都会将前置节点设置成 SIGNAL，希望前置节点释放的时候，唤醒自己。
// 如果前置节点是 0 ，说明前置节点已经释放过了。不能重复释放了，后面将会看到释放后会将 ws 修改成0.
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
从这个方法的判断就可以看出，head 必须不等于 0。为什么呢？当一个节点尝试挂起自己之前，都会将前置节点设置成 SIGNAL -1，就算是第一个加入队列的节点，在获取锁失败后，也会将虚拟节点设置的 ws 设置成 SIGNAL。
而这个判断也是防止多线程重复释放。
那么肯定，在释放锁之后，肯定会将 ws 状态设置成 0。防止重复操作。
代码如下：
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
// 将 head 节点的 ws 改成 0，清除信号。表示，他已经释放过了。不能重复释放。
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
// 如果 next 是 null，或者 next 被取消了。就从 tail 开始向上找节点。
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从尾部开始，向前寻找未被取消的节点，直到这个节点是 null，或者是 head。
// 也就是说，如果 head 的 next 是 null，那么就从尾部开始寻找，直到不是 null 为止，找到这个 head 就不管了。
// 如果是 head 的 next 不是 null，但是被取消了，那这个节点也会被略过。
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
// 唤醒 head.next 这个节点。
// 通常这个节点是 head 的 next。
// 但如果 head.next 被取消了，就会从尾部开始找。
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
如果 ws 小于 0，我们假设是 SIGNAL，就修改成 0. 证实了我们的想法。
如果他的 next 是 null，说明 next 取消了，那么就从尾部开始向上寻找（不从尾部也没办法）。当然找的过程中，也跳过了失效的节点。
最后，唤醒他。
唤醒之后的逻辑是什么样子的还记得吗？
复习一下：拿锁，设置自己为 head，断开前任 head 和自己的连接。
4. 总结
AQS 使用的 CLH 锁，需要一个虚拟 head 节点，这个节点的作用是防止重复释放锁。当第一个进入队列的节点没有前置节点的时候，就会创建一个虚拟的。
来一幅图尝试解释 AQS 吧：
-
新增节点时
image.png
-
更新 tail
image.png
- 唤醒节点时，之前的 head 取消了
image.png
