Java AQS锁实现原理

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 整体介绍

概念

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首先阅读一下类的源码注释，可以知道，这几个接口是最关键的。

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这几个方法是使用AQS类的关键，只有这几个方法是可以定制的，其他方法几乎都是final的，不可修改。

从代码实现上看，能看到的变量几乎都是volatile的，能看到的方法几乎都是CAS或者Unsafe类的原子方法。

接下来我们来整理一下这个类的字段和方法，这里我们主要关注private字段和public方法。

字段

volatile int state：同步状态。

volatile Node head：等待队列的头，延迟初始化。

volatile Node tail：等待队列的尾部。初始化后，仅通过casTail修改。

方法

获取锁：

acquire(int arg)

acquireShared(int arg)

释放锁：

release(int arg)

releaseShared(int arg)

等待队列：

hasQueuedThreads()

getFirstQueuedThread()

isQueued(Thread thread)

getQueuedThreads()

getExclusiveQueuedThreads()

getSharedQueuedThreads()

条件对象ConditionObject：

await()

signal()

架构

AQS整体结构，包括加锁/释放锁，条件对象await/signal。

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功能说明

锁

数据结构

锁的数据结构

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一个状态字段state表示同步状态，0表示没有锁竞争，1表示有锁竞争。

head跟tail分别是等待队列的头节点和尾节点，该等待队列是用双向链表实现的。

节点的数据结构

prev：前驱节点

next：后继节点

waiter：等待锁的线程

status：节点状态

节点 

节点状态其实有4种：

取消状态：status<0;

休眠状态：status=0；

等待状态：status=1；

条件等待：status=2；

功能实现

• 锁类型
• 独占锁
  • 公平锁
  • 非公平锁
• 共享锁
  • 公平锁
  • 非公平锁

独占锁acquire(int arg)

以独占模式获取，忽略中断。通过调用至少一次{@link#tryAcquire}来实现，并在成功时返回。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用{@link#tryAcquire}，直到成功。此方法可用于实现方法{@link Lock#Lock}。

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独占锁实现过程

1.tryAcquire

尝试以独占模式获取。此方法应查询对象的状态是否允许以独占模式获取对象，如果允许，则应获取对象。

执行acquire的线程总是调用此方法。如果此方法报告失败，acquire方法可能会将线程排队（如果尚未排队），直到其他线程发出释放信号。这可以用来实现方法{@link Lock#tryLock（）}。

这是一个protected方法，在ReentrantLock里实现了FairSync和NonfairSync，也就是公平锁和非公平锁。

1-1.FairSync in ReentrantLock

判断队列中有没有其他线程在等待锁，或者当前线程是第一个在等待锁的线程，也就是等待队列中第一个线程，然后CAS尝试修改锁状态，设置当前线程为锁拥有者。

1-2.NonfairSync in ReentrantLock

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不去判断当前线程是否是等待队列中的第一个线程，直接CAS尝试获取锁。

2.acquire

在tryAcquire获取锁失败后，acquire主要做的其实是将当前线程放入等待队列中，然后在循环中判断是否可以参与锁争抢。

由于等待队列优先调度第一个节点进行锁争抢，这里要根据当前线程是否是等待队列中的第一个节点分情况讨论：

当前线程在等待队列中不存在；

当前线程是等待队列中第一个节点；

当前线程不是等待队列中第一个节点；

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如果当前节点已存在，且不是头节点，清理队列中无效节点，并且节点继续等待；

如果当前节点已存在，且是头节点，尝试再次CAS加锁；如果加锁成功，并且是共享锁，唤醒后继节点参与锁争抢；如果加锁失败，该节点进入休眠状态，设置一个短暂的休眠期，休眠期内无法被唤醒参与锁争抢；

如果当前节点不存在，创建节点，放入等待队列尾部，进行排队等待锁争抢。

如果被中断，或者在超时时间内没有获取到锁，则加锁失败，从等待队列中清除。

共享锁acquireShared(int arg)

在共享模式下获取，忽略中断。通过至少调用一次{@link#tryAcquireShared}来实现，并在成功时返回。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用{@link#tryAcquireShared}，直到成功。

共享锁跟独占锁最大的区别在于，共享锁可以设置并发数。共享锁status表示可以同时争抢锁的线程数，也就是并发数>1，独占锁并发数=1。

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共享锁实现过程

1.tryAcquireShared

这是一个protected方法，在Semaphore里实现了FairSync和NonfairSync，也就是公平锁和非公平锁。

1-1.FairSync in Semaphore

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如果有前驱节点在等待，返回失败；

如果剩余的并发数<0，返回失败；

1-2.NonfairSync in Semaphore

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不去判断是否有前驱节点在等待，直接根据剩余的并发数来判断。

2.acquire

在独占锁中分析过，这里不再赘述。不同点在于共享锁允许多个线程获取锁。

其实到这里锁的基本功能已经差不多了，如果只是实现线程之间的互斥，那么只需要用到加锁/释放锁就够了。但是如果在互斥的基础上还要进行线程间的协作，就要用到条件对象了。

条件对象ConditionObject

数据结构

条件对象的主要数据结构就是一个条件队列，用于存在调用await方法释放锁后的线程。

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功能实现

await方法说明：

将当前线程放入条件队列，然后释放锁，唤醒等待队列中的线程参与加锁。

signal方法说明：

将等待时间最长的线程（如果存在）从该条件的等待队列移动到拥有锁的等待队列。

最后，我想说的是，AQS的实现思想并不仅仅局限于在读写锁中使用，在很多Java中间件、JVM以及操作系统中都有运用，包括其他语言中也有运用。因为这是一个通用的问题，大家都会遇到并且需要解决。我们日常业务开发中也会遇到，只不过需要使用分布式版本的解决方案。

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