Java 通过AQS实现数据组织

引言

从本篇文章开始，我们将介绍 Java AQS 的实现方式，本文先介绍 AQS 的内部数据是如何组织的，后面的文章中再分别介绍 AQS 的各个部门实现。

AQS

通过前面的介绍，大家一定看出来了，上述的各种类型的锁和一些线程控制接口（CountDownLatch 等），最终都是通过 AQS 来实现的，不同之处只在于 tryAcquire 等抽象函数如何实现。从这个角度来看，AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 这个基类设计的真的很不错，能够包容各种同步控制方案，并提供了必须的下层依赖：比如阻塞，队列等。接下来我们就来揭开它神秘的面纱。

内部数据

AQS 顾名思义，就是通过队列来组织修改互斥资源的请求。当这个资源空闲时间，那么修改请求可以直接进行，而当这个资源处于锁定状态时，就需要等待，AQS 会将所有等待的请求维护在一个类似于 CLH 的队列中。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：

图中的 state 是一个用 volatile 修饰的 int 变量，它的使用都是通过 CAS 来进行的，而 FIFO 队列完成请求排队的工作，队列的操作也是通过 CAS 来进行的，正因如此该队列的操作才能达到理想的性能要求。

通过 CAS 修改 state 比较容易，大家应该都能理解，但是如果要通过 CAS 维护一个双向队列要怎么做呢？这里我们看一下 AQS 中 CLH 队列的实现。在 AQS 中有两个指针一个指针指向了队列头，一个指向了队列尾。它们都是懒初始化的，也就是说最初都为null。

/**
* Head of the wait queue, lazily initialized.  Except for
* initialization, it is modified only via method setHead.  Note:
* If head exists, its waitStatus is guaranteed not to be
* CANCELLED.
*/
private transient volatile Node head;

/**
* Tail of the wait queue, lazily initialized.  Modified only via
* method enq to add new wait node.
*/
private transient volatile Node tail;

队列中的每个节点，都是一个 Node 实例，该实例的第一个关键字段是 waitState，它表述了当前节点所处的状态，通过 CAS 进行修改：

• SIGNAL：表示当前节点承担唤醒后继节点的责任

• CANCELLED：表示当前节点已经超时或者被打断

• CONDITION：表示当前节点正在 Condition 上等待（通过锁可以创建 Condition 对象）

• PROPAGATE：只会设置在 head 节点上，用于表明释放共享锁时，需要将这个行为传播到其他节点上，这个我们稍后详细介绍。

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

/**
    * Status field, taking on only the values:
    *   SIGNAL:     The successor of this node is (or will soon be)
    *               blocked (via park), so the current node must
    *               unpark its successor when it releases or
    *               cancels. To avoid races, acquire methods must
    *               first indicate they need a signal,
    *               then retry the atomic acquire, and then,
    *               on failure, block.
    *   CANCELLED:  This node is cancelled due to timeout or interrupt.
    *               Nodes never leave this state. In particular,
    *               a thread with cancelled node never again blocks.
    *   CONDITION:  This node is currently on a condition queue.
    *               It will not be used as a sync queue node
    *               until transferred, at which time the status
    *               will be set to 0. (Use of this value here has
    *               nothing to do with the other uses of the
    *               field, but simplifies mechanics.)
    *   PROPAGATE:  A releaseShared should be propagated to other
    *               nodes. This is set (for head node only) in
    *               doReleaseShared to ensure propagation
    *               continues, even if other operations have
    *               since intervened.
    *   0:          None of the above
    *
    * The values are arranged numerically to simplify use.
    * Non-negative values mean that a node doesn't need to
    * signal. So, most code doesn't need to check for particular
    * values, just for sign.
    *
    * The field is initialized to 0 for normal sync nodes, and
    * CONDITION for condition nodes.  It is modified using CAS
    * (or when possible, unconditional volatile writes).
    */
   volatile int waitStatus;

/**
    * Link to predecessor node that current node/thread relies on
    * for checking waitStatus. Assigned during enqueuing, and nulled
    * out (for sake of GC) only upon dequeuing.  Also, upon
    * cancellation of a predecessor, we short-circuit while
    * finding a non-cancelled one, which will always exist
    * because the head node is never cancelled: A node becomes
    * head only as a result of successful acquire. A
    * cancelled thread never succeeds in acquiring, and a thread only
    * cancels itself, not any other node.
    */
   volatile Node prev;

/**
    * Link to the successor node that the current node/thread
    * unparks upon release. Assigned during enqueuing, adjusted
    * when bypassing cancelled predecessors, and nulled out (for
    * sake of GC) when dequeued.  The enq operation does not
    * assign next field of a predecessor until after attachment,
    * so seeing a null next field does not necessarily mean that
    * node is at end of queue. However, if a next field appears
    * to be null, we can scan prev's from the tail to
    * double-check.  The next field of cancelled nodes is set to
    * point to the node itself instead of null, to make life
    * easier for isOnSyncQueue.
    */
   volatile Node next;

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

/**
    * Link to next node waiting on condition, or the special
    * value SHARED.  Because condition queues are accessed only
    * when holding in exclusive mode, we just need a simple
    * linked queue to hold nodes while they are waiting on
    * conditions. They are then transferred to the queue to
    * re-acquire. And because conditions can only be exclusive,
    * we save a field by using special value to indicate shared
    * mode.
    */
   Node nextWaiter;

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

因为是双向队列，所以 Node 实例中势必有 prev 和 next 指针，此外 Node 中还会保存与其对应的线程。最后是 nextWaiter，当一个节点对应了共享请求时，nextWaiter 指向了 Node. SHARED 而当一个节点是排他请求时，nextWaiter 默认指向了 Node. EXCLUSIVE 也就是 null。我们知道 AQS 也提供了 Condition 功能，该功能就是通过 nextWaiter 来维护在 Condition 上等待的线程。也就是说这里的 nextWaiter 在锁的实现部分中，扮演者共享锁和排它锁的标志位，而在条件等待队列中，充当链表的 next 指针。

同步队列

接下来，我们由最常见的入队操作出发，介绍 AQS 框架的实现与使用。从下面的代码中可以看到入队操作支持两种模式，一种是排他模式，一种是共享模式，分别对应了排它锁场景和共享锁场景。

1. 当任意一种请求，要入队时，先会构建一个 Node 实例，然后获取当前 AQS 队列的尾结点，如果尾结点为空，就是说队列还没初始化，初始化过程在后面 enq 函数中实现

2. 这里我们先看初始化之后的情况，即 tail != null，先将当前 Node 的前向指针 prev 更新，然后通过 CAS 将尾结点修改为当前 Node，修改成功时，再更新前一个节点的后向指针 next，因为只有修改尾指针过程是原子的，所以这里会出现新插入一个节点时，之前的尾节点 previousTail 的 next 指针为null的情况，也就是说会存在短暂的正向指针和反向指针不同步的情况，不过在后面的介绍中，你会发现 AQS 很完备地避开了这种不同步带来的风险（通过从后往前遍历）

3. 如果上述操作成功，则当前线程已经进入同步队列，否则，可能存在多个线程的竞争，其他线程设置尾结点成功了，而当前线程失败了，这时候会和尾结点未初始化一样进入 enq 函数中。

/**
* Creates and enqueues node for current thread and given mode.
*
* @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
* @return the new node
*/
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) {
       // 已经进行了初始化
       node.prev = pred;
       // CAS 修改尾节点
       if (compareAndSetTail(pred, node)) {
           // 成功之后再修改后向指针
           pred.next = node;
           return node;
       }
   }
   // 循环 CAS 过程和初始化过程
   enq(node);
   return node;
}

正常通过 CAS 修改数据都会在一个循环中进行，而这里的 addWaiter 只是在一个 if 中进行，这是为什么呢？实际上，大家看到的 addWaiter 的这部分 CAS 过程是一个快速执行线，在没有竞争时，这种方式能省略不少判断过程。当发生竞争时，会进入 enq 函数中，那里才是循环 CAS 的地方。

1. 整个 enq 的工作在一个循环中进行

2. 先会检查是否未进行初始化，是的话，就设置一个虚拟节点 Node 作为 head 和 tail，也就是说同步队列的第一个节点并不保存实际数据，只是一个保存指针的地方

3. 初始化完成后，通过 CAS 修改尾节点，直到修改成功为止，最后修复后向指针

/**
* Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
* @param node the node to insert
* @return node's predecessor
*/
private Node enq(final Node node) {
   for (;;) {// 在一个循环中进行 CAS 操作
       Node t = tail;
       if (t == null) { // Must initialize
           if (compareAndSetHead(new Node()))
               tail = head;
       } else {
           node.prev = t;
           // CAS 修改尾节点
           if (compareAndSetTail(t, node)) {
               // 成功之后再修改后向指针
               t.next = node;
               return t;
           }
       }

来源：https://blog.csdn.net/BeiKeJieDeLiuLangMao/article/details/115269300