AQS：Java 中悲观锁的底层实现机制

作者: 真正的飞鱼 | 来源:发表于2022-09-21 10:02 被阅读0次

介绍 AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包中，实现各种同步组件的基础。比如

各种锁：ReentrantLock、ReadWriteLock、StampedLock
各种线程同步工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore
线程池中的 Worker

Lock 接口的实现基本都是通过聚合了一个 AQS 的子类来完成线程访问控制的。

Doug Lea 曾经介绍过 AQS 的设计初衷。从原理上，一种同步组件往往是可以利用其他的组件实现的，例如可以使用 Semaphore 实现互斥锁。但是，对某种同步组件的倾向，会导致复杂、晦涩的实现逻辑，所以，他选择了将基础的同步相关操作抽象在 AbstractQueuedSynchronizer 中，利用 AQS 为我们构建同步组件提供了范本。

如何使用 AQS

利用 AQS 实现一个同步组件，我们至少要实现两类基本的方法，分别是：

获取资源，需要实现 tryAcquire(int arg) 方法
释放资源，需要实现 tryRelease(int arg) 方法

如果需要共享式获取 / 释放资源，需要实现对应的 tryAcquireShared(int arg)、tryReleaseShared(int arg)

AQS 使用的是模板方法设计模式。AQS 方法的修饰符很有规律，其中，使用 protected 修饰的方法为抽象方法，通常需要子类去实现，从而实现不同的同步组件；使用 public 修饰的方法基本可以认为是模板方法，不建议子类直接覆盖。

通过调用 AQS 的 acquire(int arg) 方法可以获取资源，该方法会调用 protected 修饰的 tryAcquire(int arg) 方法，因此我们需要在 AQS 的子类中实现 tryAcquire(int arg)，tryAcquire(int arg) 方法的作用是：获取资源。

当前线程获取资源并执行了相应逻辑之后，就需要释放资源，使得后续节点能够继续获取资源。通过调用 AQS 的 release(int arg) 方法可以释放资源，该方法会调用 protected 修饰的 tryRelease(int arg) 方法，因此我们需要在 AQS 的子类中实现 tryRelease(int arg)，tryRelease(int arg) 方法的作用是：释放资源。

AQS 的实现原理

从实现角度分析 AQS 是如何完成线程访问控制。

AQS 的实现原理可以从同步阻塞队列、获取资源时的执行流程、释放资源时的执行流程这 3 个方面介绍。

同步阻塞队列

AQS 依赖内部的同步阻塞队列（一个 FIFO 双向队列）来完成资源的管理。

同步阻塞队列的工作机制：

节点：同步阻塞队列中的节点（Node）用来保存获取资源失败的线程引用、等待状态以及前驱和后继节点，没有成功获取资源的线程将会成为节点加入同步阻塞队列的尾部，同时会阻塞当前线程（Java 线程处于 WAITING 状态，释放 CPU 的使用权）。
首节点：同步阻塞队列遵循 FIFO（先进先出），首节点是获取资源成功的节点，首节点的线程在释放资源时，将会唤醒后继节点，使其再次尝试获取资源，而后继节点将会在获取资源成功时将自己设置为首节点。

static final class Node {
    /**
     * Marker to indicate a node is waiting in shared mode
     */
    static final AbstractQueuedSynchronizer.Node SHARED = new AbstractQueuedSynchronizer.Node();
    /**
     * Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode
     */
    static final AbstractQueuedSynchronizer.Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * waitStatus value to indicate thread has cancelled
     */
    static final int CANCELLED = 1;
    /**
     * waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking
     */
    static final int SIGNAL = -1;
    /**
     * waitStatus value to indicate thread is waiting on condition
     */
    static final int CONDITION = -2;
    /**
     * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
     * unconditionally propagate
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    // 等待状态
    volatile int waitStatus;

    // 前驱节点
    volatile AbstractQueuedSynchronizer.Node prev;

    // 后继节点
    volatile AbstractQueuedSynchronizer.Node next;

    /**
     * The thread that enqueued this node.  Initialized on
     * construction and nulled out after use.
     */
    volatile Thread thread;

    // 条件等待队列的后继节点
    AbstractQueuedSynchronizer.Node nextWaiter;

    /**
     * Returns true if node is waiting in shared mode.
     */
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    /**
     * Returns previous node, or throws NullPointerException if null.
     * Use when predecessor cannot be null.  The null check could
     * be elided, but is present to help the VM.
     *
     * @return the predecessor of this node
     */
    final AbstractQueuedSynchronizer.Node predecessor() throws NullPointerException {
        AbstractQueuedSynchronizer.Node p = prev;
        if (p == null) throw new NullPointerException();
        else return p;
    }

    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }

    Node(Thread thread, AbstractQueuedSynchronizer.Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

等待状态
在节点中用 volatile int waitStatus 属性表示节点的等待状态。
节点有如下几种等待状态：

CANCELLED，值为 1，由于在同步阻塞队列中等待的线程等待超时或者被中断，需要从同步阻塞队列中取消等待，节点进人该状态将不会变化
SIGNAL，值为 -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
CONDITION，值为 -2，节点在条件等待队列中，节点线程等待在 Condition 上，当其他线程对Condition 调用了 signal() 方法后，该节点将会从条件等待队列转移到同步阻塞队列中，加入到对同步状态的获取中
PROPAGATE，值为 -3，表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地被传播下去
INITIAL，值为 0，初始状态

获取资源、释放资源的执行流程，结论先行：

在获取资源时，获取资源失败的线程都会被加入到同步阻塞队列中，并在队列中进行自旋；移出队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头节点且成功获取了资源。
在释放资源时，AQS 调用 tryRelease(int arg) 方法释放资源，然后唤醒头节点的后继节点。

获取资源

下面来介绍获取资源时的执行流程。

调用 AQS 的 acquire(int arg) 方法可以获取资源。

acquire(int arg) 方法是独占式获取资源，它调用流程如下图所示。

1663401341056-7dde7eea-ba39-4dc7-84ed-0b2fc6a5a0c2.png

用文字描述 acquire(int arg) 方法的调用流程：首先调用自定义 AQS 实现的 tryAcquire(int arg) 方法，该方法的作用是尝试获取资源：

如果获取资源成功，则直接从 acquire(int arg) 方法返回
如果获取资源失败，则构造节点，并将该节点加入到同步阻塞队列的尾部，最后调用 acquireQueued(Node node,int arg) 方法，使得该节点以“死循环”的方式尝试获取资源。只有当前节点的前驱节点是头节点，才能尝试获取资源。
- 如果当前节点的前驱节点是头节点，并且获取资源成功，则设置当前节点为头节点，并从 acquireQueued(Node node,int arg) 方法返回
- 如果当前节点的前驱节点不是头节点或者获取资源失败，则阻塞当前线程，线程被唤醒后继续执行该循环操作

acquireQueued(Node node,int arg) 方法的调用过程也被称为“自旋过程”。

自旋是什么意思是呢？我的理解就是：自旋就是一个死循环，循环执行某个操作序列，直到满足某个条件才退出循环。

/**
 * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts.  Implemented
 * by invoking at least once {@link #tryAcquire},
 * returning on success.  Otherwise the thread is queued, possibly
 * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
 * #tryAcquire} until success.  This method can be used
 * to implement method {@link Lock#lock}.
 *
 * @param arg the acquire argument.  This value is conveyed to
 *        {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
 *        can represent anything you like.
 */
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

acquire(int arg) 的主要逻辑是：

首先调用自定义 AQS 实现的 tryAcquire(int arg) 方法，该方法保证线程安全的获取资源：

如果获取资源成功，则直接从 acquire(int arg) 方法返回
如果获取资源失败，则构造同步节点（独占式 Node.EXCLUSIVE，同一时刻只能有一个线程成功获取资源）并通过 addWaiter(Node node) 方法将该节点加入到同步阻塞队列的尾部，最后调用 acquireQueued(Node node,int arg) 方法，使得该节点以“死循环”的方式获取资源。如果获取不到则阻塞节点中的线程，而被阻塞线程的唤醒主要依靠前驱节点的出队或阻塞线程被中断来实现。

/**
 * Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in
 * queue. Used by condition wait methods as well as acquire.
 *
 * @param node the node
 * @param arg the acquire argument
 * @return {@code true} if interrupted while waiting
 */
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

在 acquireQueued(final Node node,int arg) 方法中，当前线程在“死循环”中尝试获取资源，而只有前驱节点是头节点才能够尝试获取资源，这是为什么？原因有两个，如下。

第一，头节点是成功获取到资源的节点，而头节点的线程释放了资源之后，将会唤醒其后继节点，后继节点的线程被唤醒后需要检查自己的前驱节点是否是头节点。
第二，维护同步阻塞队列的 FIFO 原则。

释放资源

当前线程获取资源并执行了相应逻辑之后，就需要释放资源，使得后续节点能够继续获取资源。

下面来介绍释放资源时的执行流程。

通过调用 AQS 的 release(int arg) 方法可以释放资源，该方法在释放资源之后，会唤醒头节点的后继节点，进而使后继节点重新尝试获取资源。

/**
 * Releases in exclusive mode.  Implemented by unblocking one or
 * more threads if {@link #tryRelease} returns true.
 * This method can be used to implement method {@link Lock#unlock}.
 *
 * @param arg the release argument.  This value is conveyed to
 *        {@link #tryRelease} but is otherwise uninterpreted and
 *        can represent anything you like.
 * @return the value returned from {@link #tryRelease}
 */
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

release(int arg) 方法执行时，会唤醒头节点的后继节点线程， unparkSuccessor(Node node) 方法使用 LockSupport#unpark() 方法来唤醒处于等待状态的线程。

共享式获取 & 释放资源

上面讲的是独占式获取 / 释放资源。

共享式获取与独占式获取最主要的区别在于：同一时刻能否有多个线程同时获取到资源。以文件的读写为例，如果一个程序在对文件进行读操作，那么这一时刻对于该文件的写操作均被阻塞，而读操作能够同时进行。写操作要求对资源的独占式访问，而读操作可以是共享式访问。

共享式访问资源时，其他共享式的访问均被允许，独占式访问被阻塞
独占式访问资源时，同一时刻其他访问均被阻塞

共享式获取资源

调用 AQS 的 acquireShared(int arg) 方法可以共享式地获取资源。

在 acquireShared(int arg) 方法中，AQS 调用 tryAcquireShared(int arg) 方法尝试获取资源， tryAcquireShared(int arg) 方法返回值为 int 类型，当返回值 >= 0 时，表示能够获取到资源。

可以看到，在 doAcquireShared(int arg) 方法的自旋过程中，如果当前节点的前驱为头节点时，才能尝试获取资源，如果获取资源成功（返回值 >= 0），则设置当前节点为头节点，并从自旋过程中退出。

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

共享式释放资源
调用 releaseShared(int arg) 方法可以释放资源。该方法在释放资源之后，会唤醒头节点的后继节点，进而使后继节点重新尝试获取资源。

对于能够支持多个线程同时访问的并发组件（比如 Semaphore），它和独占式主要区别在于 tryReleaseShared(int arg) 方法必须确保资源安全释放，因为释放资源的操作会同时来自多个线程。确保资源安全释放一般是通过循环和 CAS 来保证的。

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

独占式超时获取资源

调用 AQS 的 doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 方法可以超时获取资源，即在指定的时间段内获取资源，如果获取资源成功则返回 true，否则返回 false。

该方法提供了传统 Java 同步操作（比如 synchronized 关键字）所不具备的特性。

在分析该方法的实现前，先介绍一下响应中断的获取资源过程。

在 Java 5 之前，当一个线程获取不到锁而被阻塞在 synchronized 之外时，对该线程进行中断操作，此时该线程的中断标志位会被修改，但线程依旧会阻塞在 synchronized 上，等待着获取锁。
在 Java 5 中，AQS 提供了 acquireInterruptibly(int arg) 方法，这个方法在等待获取资源时，如果当前线程被中断，会立刻返回，并抛出 InterruptedException。

acquire(int arg) 方法对中断不敏感，也就是由于线程获取资源失败后进入同步阻塞队列中，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步阻塞队列中移出。

超时获取资源过程可以被视作响应中断获取资源过程的“增强版”，doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 方法在支持响应中断的基础上，增加了超时获取的特性。

针对超时获取，主要需要计算出需要睡眠的时间间隔 nanosTimeout，为了防止过早通知， nanosTimeout 计算公式为：nanosTimeout -= now - lastTime，其中 now 为当前唤醒时间， lastTime 为上次唤醒时间，如果 nanosTimeout 大于 0 则表示超时时间未到，需要继续睡眠 nanosTimeout 纳秒，反之，表示已经超时。

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    return tryAcquire(arg) ||
        doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);
}

/**
 * Acquires in exclusive timed mode.
 *
 * @param arg the acquire argument
 * @param nanosTimeout max wait time
 * @return {@code true} if acquired
 */
private boolean doAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (nanosTimeout <= 0L)
        return false;
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return true;
            }
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            if (nanosTimeout <= 0L)
                return false;
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

该方法在自旋过程中，当节点的前驱节点为头节点时尝试获取资源，如果成功获取资源则从该方法返回，这个过程和独占式同步获取的过程类似，但是在获取资源失败的处理上有所不同。

如果当前线程获取资源失败，则判断是否超时（nanosTimeout 小于等于 0 表示已经超时），如果没有超时，则重新计算超时间隔 nanosTimeout，然后使当前线程等待 nanosTimeout 纳秒（当已到设置的超时时间，该线程会从 LockSupport.parkNanos(Object blocker,long nanos)方法返回）。

如果 nanosTimeout 小于等于 spinForTimeoutThreshold（1000 纳秒）时，将不会使该线程进行超时等待，而是进入快速的自旋过程。原因在于，非常短的超时等待无法做到十分精确，如果这时再进行超时等待，相反会让 nanosTimeout 的超时从整体上表现得反而不精确。因此，在超时非常短的场景下，AQS 会进入无条件的快速自旋。

独占式超时获取资源的流程如下所示。

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从图中可以看出，独占式超时获取资源 doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 和独占式获取资源 acquire(int args)在流程上非常相似，其主要区别在于：未获取到资源时的处理逻辑。

acquire(int args) 在未获取到资源时，将会使当前线程一直处于等待状态，而 doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout) 会使当前线程等待 nanosTimeout 纳秒，如果当前线程在 nanosTimeout 纳秒内没有获取到资源，将会从等待逻辑中自动返回。

Condition 的实现原理

技术是为了解决问题而生的，通过 Condition 我们可以实现等待 / 通知功能。

ConditionObject 是 AQS 的内部类。每个 Condition 对象都包含着一个条件等待队列，这个条件等待队列是 Condition 对象实现等待 / 通知功能的关键。

下面我们分析 Condition 的实现原理，主要包括：条件等待队列、等待和通知。

下面提到的 Condition 如果不加说明均指的是 ConditionObject。

条件等待队列

Condition 依赖内部的条件等待队列（一个 FIFO 双向队列）来实现等待 / 通知功能。

条件等待队列的工作机制：

节点：条件等待队列中的每个节点（Node）都包含一个线程引用，该线程就是在 Condition 对象上等待的线程，如果一个线程调用了 Condition.await()方法，那么该线程将会释放资源、构造成为节点加入条件等待队列的尾部，同时线程状态变为等待状态。

事实上，条件等待队列中的节点定义复用了 AQS 节点的定义，也就是说，同步阻塞队列和条件等待队列中节点类型都是 AQS 的静态内部类 AbstractQueuedSynchronizer.Node。

在 Object 的监视器模型上，一个对象拥有一个同步阻塞队列和一个条件等待队列，而并发包中的 Lock（更确切地说是 AQS）拥有一个同步阻塞队列和多个条件等待队列。

等待

下面来介绍让线程等待的执行流程。

调用 Condition 的 await() 方法（或者以 await 开头的方法），将会使当前线程释放资源、构造成为节点加入条件等待队列的尾部，同时线程状态变为等待状态。

如果从队列（同步阻塞队列和条件等待队列）的角度看 await()方法，当调用 await() 方法时，相当于同步阻塞队列的首节点（获取到锁的节点）移动到 Condition 的条件等待队列中。并且同步阻塞队列的首节点并不会直接加入条件等待队列，而是通过 addConditionWaiter() 方法把当前线程构造成一个新的节点，将其加入条件等待队列中。

/**
 * Implements interruptible condition wait.
 * <ol>
 * <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
 * <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
 * <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
 *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
 * <li> Block until signalled or interrupted.
 * <li> Reacquire by invoking specialized version of
 *      {@link #acquire} with saved state as argument.
 * <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
 * </ol>
 */
public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

通知

下面来介绍唤醒等待线程的执行流程。

调用 Condition 的 signal() 方法，将会唤醒在条件等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将当前节点从条件等待队列移动到同步阻塞队列中。

条件等待队列中的节点被唤醒后，被唤醒的线程以“死循环”的方式尝试获取资源。成功获取资源之后，被唤醒的线程将从先前调用的 await() 方法返回。

如果被唤醒的线程不是通过其他线程调用 Condition.signal() 方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出InterruptedException。

被唤醒的线程，将从 await() 方法中的 while 循环中退出（isOnSyncQueue(Node node) 方法返回 true，节点已经在同步阻塞队列中），进而调用 AQS 的 acquireQueued() 方法以“死循环”的方式尝试获取资源。成功获取资源之后，被唤醒的线程将从先前调用的 await() 方法返回。

Condition 的 signalAll() 方法，相当于对条件等待队列中的每个节点均执行一次 signal() 方法，效果就是将条件等待队列中所有节点全部移动到同步阻塞队列中，并唤醒每个节点的线程。

虽然是把每个节点的线程都唤醒了，这些线程需要尝试获取资源，但是只有一个线程能够成功获取资源，然后从 await() 方法返回；其他获取资源失败的线程又都会被加入到同步阻塞队列中，并在队列中进行自旋；移出队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头节点且成功获取了资源。

/**
 * Moves the longest-waiting thread, if one exists, from the
 * wait queue for this condition to the wait queue for the
 * owning lock.
 *
 * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
 *         returns {@code false}
 */
public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

/**
 * Removes and transfers nodes until hit non-cancelled one or
 * null. Split out from signal in part to encourage compilers
 * to inline the case of no waiters.
 * @param first (non-null) the first node on condition queue
 */
private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

参考资料

《Java并发编程艺术》第5章：Java 中的锁

AQS：Java 中悲观锁的底层实现机制

介绍 AQS

如何使用 AQS

AQS 的实现原理

同步阻塞队列

获取资源

释放资源

共享式获取 & 释放资源

独占式超时获取资源

Condition 的实现原理

条件等待队列

等待

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