JAVA AQS抽象队列同步器详解

本文主要是介绍JAVA AQS抽象队列同步器详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

之前看到一篇很好的介绍AQS抽象队列同步器的文章，分享下。

框架

维护了一个state（代表共享资源，注意是volatile修饰的保证可见性）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）state的访问方式有三种：

• getState()
• setState()
• compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同，自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

• isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
• tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
• tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
• tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
• tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例，任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0)，会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock

源码详解

本节开始讲解AQS的源码实现。依照acquire-release、acquireShared-releaseShared的次序来

acquire(int)

此方法是独占模式下线程获取共享资源的顶层入口。如果获取到资源，线程直接返回，否则进入等待队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响。这也正是lock()的语义，当然不仅仅只限于lock()。获取到资源后，线程就可以去执行其临界区代码了。下面是acquire()的源码：

public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

函数流程如下：
1.tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功就直接返回
2.addWaiter()把该线程加入等待队列的尾部，并且标记为独占模式
3.acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源，一直到获得资源后才返回，如果在整个等待过程中被中断，就返回true,否则返回false
4.如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是在获得资源后才进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。

tryAcquire(int)

此方法尝试去获取独占资源。如果获取成功，则直接返回true，否则直接返回false。这也正是tryLock()的语义，还是那句话，当然不仅仅只限于tryLock()。如下是tryAcquire()的源码：

 protected boolean tryAcquire(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
}

　　什么？直接throw异常？说好的功能呢？好吧，还记得概述里讲的AQS只是一个框架，具体资源的获取/释放方式交由自定义同步器去实现吗？就是这里了！！！AQS这里只定义了一个接口，具体资源的获取交由自定义同步器去实现了（通过state的get/set/CAS）！！！至于能不能重入，能不能加塞，那就看具体的自定义同步器怎么去设计了！！！当然，自定义同步器在进行资源访问时要考虑线程安全的影响。

这里之所以没有定义成abstract，是因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared。如果都定义成abstract，那么每个模式也要去实现另一模式下的接口。说到底，Doug Lea还是站在咱们开发者的角度，尽量减少不必要的工作量。

addWaiter(Node)

此方法用于将当前线程加入到等待队列的队尾，并返回当前线程所在的结点。还是上源码吧：

private Node addWaiter(Node mode) {//以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//尝试快速方式直接放到队尾。Node pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}//上一步失败则通过enq入队。enq(node);return node;
}

enq(Node)

此方法用于将node加入队尾。源码如下：

private Node enq(final Node node) {//CAS"自旋"，直到成功加入队尾for (;;) {Node t = tail;if (t == null) { // 队列为空，创建一个空的标志结点作为head结点，并将tail也指向它。if (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {//正常流程，放入队尾node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
}

果你看过AtomicInteger.getAndIncrement()函数源码，那么相信你一眼便看出这段代码的精华。CAS自旋volatile变量，是一种很经典的用法。还不太了解的，自己去百度一下吧。

acquireQueued(Node, int)

OK，通过tryAcquire()和addWaiter()，该线程获取资源失败，已经被放入等待队列尾部了。聪明的你立刻应该能想到该线程下一部该干什么了吧：进入等待状态休息，直到其他线程彻底释放资源后唤醒自己，自己再拿到资源，然后就可以去干自己想干的事了。没错，就是这样！是不是跟医院排队拿号有点相似~~acquireQueued()就是干这件事：在等待队列中排队拿号（中间没其它事干可以休息），直到拿到号后再返回。这个函数非常关键，还是上源码吧：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;//标记是否成功拿到资源try {boolean interrupted = false;//标记等待过程中是否被中断过//又是一个“自旋”！for (;;) {final Node p = node.predecessor();//拿到前驱//如果前驱是head，即该结点已成老二，那么便有资格去尝试获取资源（可能是老大释放完资源唤醒自己的，当然也可能被interrupt了）。if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);//拿到资源后，将head指向该结点。所以head所指的标杆结点，就是当前获取到资源的那个结点或null。p.next = null; // setHead中node.prev已置为null，此处再将head.next置为null，就是为了方便GC回收以前的head结点。也就意味着之前拿完资源的结点出队了！failed = false;return interrupted;//返回等待过程中是否被中断过}//如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;//如果等待过程中被中断过，哪怕只有那么一次，就将interrupted标记为true}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}

到这里了，我们先不急着总结acquireQueued()的函数流程，先看看shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()具体干些什么。

shouldParkAfterFailedAcquire(Node, Node)

此方法主要用于检查状态，看看自己是否真的可以去休息了（进入waiting状态，如果线程状态转换不熟，可以参考本人上一篇写的Thread详解），万一队列前边的线程都放弃了只是瞎站着，那也说不定，对吧！

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {int ws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态if (ws == Node.SIGNAL)//如果已经告诉前驱拿完号后通知自己一下，那就可以安心休息了return true;if (ws > 0) {/** 如果前驱放弃了，那就一直往前找，直到找到最近一个正常等待的状态，并排在它的后边。* 注意：那些放弃的结点，由于被自己“加塞”到它们前边，它们相当于形成一个无引用链，稍后就会被保安大叔赶走了(GC回收)！*/do {node.prev = pred = pred.prev;} while (pred.waitStatus > 0);pred.next = node;} else {//如果前驱正常，那就把前驱的状态设置成SIGNAL，告诉它拿完号后通知自己一下。有可能失败，人家说不定刚刚释放完呢！compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);}return false;
}

整个流程中，如果前驱结点的状态不是SIGNAL，那么自己就不能安心去休息，需要去找个安心的休息点，同时可以再尝试下看有没有机会轮到自己拿号。

parkAndCheckInterrupt()

如果线程找好安全休息点后，那就可以安心去休息了。此方法就是让线程去休息，真正进入等待状态。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态return Thread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。}

park()会让当前线程进入waiting状态。在此状态下，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。（再说一句，如果线程状态转换不熟，可以参考本人写的Thread详解）。需要注意的是，Thread.interrupted()会清除当前线程的中断标记位。

小结

OK，看了shouldParkAfterFailedAcquire()和parkAndCheckInterrupt()，现在让我们再回到acquireQueued()，总结下该函数的具体流程：

• 1.结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；
• 2.调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；
• 3.被唤醒后，看自己是不是有资格能拿到号。如果拿到，head指向当前结点，并返回从入队到拿到号的整个过程中是否被中断过；如果没拿到，继续流程1。

OKOK，acquireQueued()分析完之后，我们接下来再回到acquire()！再贴上它的源码吧：

 public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}

再来总结下它的流程吧：

1. 调用自定义同步器的tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；
2. 没成功，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
3. acquireQueued()使线程在等待队列中休息，有机会时（轮到自己，会被unpark()）会去尝试获取资源。获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false。
4. 如果线程在等待过程中被中断过，它是不响应的。只是获取资源后才再进行自我中断selfInterrupt()，将中断补上。
   由于此函数是重中之重，我再用流程图总结一下：

release(int)

　　上一小节已经把acquire()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作release()吧。此方法是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。这也正是unlock()的语义，当然不仅仅只限于unlock()。下面是release()的源码：

public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;//找到头结点if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程return true;}return false;
}

逻辑并不复杂。它调用tryRelease()来释放资源。有一点需要注意的是，它是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自定义同步器在设计tryRelease()的时候要明确这一点！！

tryRelease(int)

此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：

 protected boolean tryRelease(int arg) {throw new UnsupportedOperationException();
}

跟tryAcquire()一样，这个方法是需要独占模式的自定义同步器去实现的。正常来说，tryRelease()都会成功的，因为这是独占模式，该线程来释放资源，那么它肯定已经拿到独占资源了，直接减掉相应量的资源即可(state-=arg)，也不需要考虑线程安全的问题。但要注意它的返回值，上面已经提到了，release()是根据tryRelease()的返回值来判断该线程是否已经完成释放掉资源了！所以自义定同步器在实现时，如果已经彻底释放资源(state=0)，要返回true，否则返回false。

unparkSuccessor(Node)

此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码：

private void unparkSuccessor(Node node) {//这里，node一般为当前线程所在的结点。int ws = node.waitStatus;if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点sif (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消s = null;for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。s = t;}if (s != null)LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

这个函数并不复杂。一句话概括：用unpark()唤醒等待队列中最前边的那个未放弃线程，这里我们也用s来表示吧。此时，再和acquireQueued()联系起来，s被唤醒后，进入if (p == head && tryAcquire(arg))的判断（即使p!=head也没关系，它会再进入shouldParkAfterFailedAcquire()寻找一个安全点。这里既然s已经是等待队列中最前边的那个未放弃线程了，那么通过shouldParkAfterFailedAcquire()的调整，s也必然会跑到head的next结点，下一次自旋p==head就成立啦），然后s把自己设置成head标杆结点，表示自己已经获取到资源了，acquire()也返回了！！And then, DO what you WANT!

小结

release()是独占模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果彻底释放了（即state=0）,它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。

acquireShared(int)

此方法是共享模式下线程获取共享资源的顶层入口。它会获取指定量的资源，获取成功则直接返回，获取失败则进入等待队列，直到获取到资源为止，整个过程忽略中断。下面是acquireShared()的源码：

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

这里tryAcquireShared()依然需要自定义同步器去实现。但是AQS已经把其返回值的语义定义好了：负值代表获取失败；0代表获取成功，但没有剩余资源；正数表示获取成功，还有剩余资源，其他线程还可以去获取。所以这里acquireShared()的流程就是：

• tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
• 失败则通过doAcquireShared()进入等待队列，直到获取到资源为止才返回。

doAcquireShared(int)

此方法用于将当前线程加入等待队列尾部休息，直到其他线程释放资源唤醒自己，自己成功拿到相应量的资源后才返回。下面是doAcquireShared()的源码：

private void doAcquireShared(int arg) {final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部boolean failed = true;//是否成功标志try {boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志for (;;) {final Node p = node.predecessor();//前驱if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源if (r >= 0) {//成功setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程p.next = null; // help GCif (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。selfInterrupt();failed = false;return;}}//判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);}
}

有木有觉得跟acquireQueued()很相似？对，其实流程并没有太大区别。只不过这里将补中断的selfInterrupt()放到doAcquireShared()里了，而独占模式是放到acquireQueued()之外，其实都一样，不知道Doug Lea是怎么想的。

　　跟独占模式比，还有一点需要注意的是，这里只有线程是head.next时（“老二”），才会去尝试获取资源，有剩余的话还会唤醒之后的队友。那么问题就来了，假如老大用完后释放了5个资源，而老二需要6个，老三需要1个，老四需要2个。老大先唤醒老二，老二一看资源不够，他是把资源让给老三呢，还是不让？答案是否定的！老二会继续park()等待其他线程释放资源，也更不会去唤醒老三和老四了。独占模式，同一时刻只有一个线程去执行，这样做未尝不可；但共享模式下，多个线程是可以同时执行的，现在因为老二的资源需求量大，而把后面量小的老三和老四也都卡住了。当然，这并不是问题，只是AQS保证严格按照入队顺序唤醒罢了（保证公平，但降低了并发）。

setHeadAndPropagate(Node, int)

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {Node h = head; setHead(node);//head指向自己//如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {Node s = node.next;if (s == null || s.isShared())doReleaseShared();}
}

此方法在setHead()的基础上多了一步，就是自己苏醒的同时，如果条件符合（比如还有剩余资源），还会去唤醒后继结点，毕竟是共享模式！

小结

OK，至此，acquireShared()也要告一段落了。让我们再梳理一下它的流程：

tryAcquireShared()尝试获取资源，成功则直接返回；
失败则通过doAcquireShared()进入等待队列park()，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。整个等待过程也是忽略中断的。
　　其实跟acquire()的流程大同小异，只不过多了个自己拿到资源后，还会去唤醒后继队友的操作（这才是共享嘛）。

releaseShared()

上一小节已经把acquireShared()说完了，这一小节就来讲讲它的反操作releaseShared()吧。此方法是共享模式下线程释放共享资源的顶层入口。它会释放指定量的资源，如果成功释放且允许唤醒等待线程，它会唤醒等待队列里的其他线程来获取资源。下面是releaseShared()的源码：

public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源doReleaseShared();//唤醒后继结点return true;}return false;
}

　此方法的流程也比较简单，一句话：释放掉资源后，唤醒后继。跟独占模式下的release()相似，但有一点稍微需要注意：独占模式下的tryRelease()在完全释放掉资源（state=0）后，才会返回true去唤醒其他线程，这主要是基于独占下可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，共享模式实质就是控制一定量的线程并发执行，那么拥有资源的线程在释放掉部分资源时就可以唤醒后继等待结点。例如，资源总量是13，A（5）和B（7）分别获取到资源并发运行，C（4）来时只剩1个资源就需要等待。A在运行过程中释放掉2个资源量，然后tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看只有3个仍不够继续等待；随后B又释放2个，tryReleaseShared(2)返回true唤醒C，C一看有5个够自己用了，然后C就可以跟A和B一起运行。而ReentrantReadWriteLock读锁的tryReleaseShared()只有在完全释放掉资源（state=0）才返回true，所以自定义同步器可以根据需要决定tryReleaseShared()的返回值。

doReleaseShared()

此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：

private void doReleaseShared() {for (;;) {Node h = head;if (h != null && h != tail) {int ws = h.waitStatus;if (ws == Node.SIGNAL) {if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))continue;unparkSuccessor(h);//唤醒后继}else if (ws == 0 &&!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))continue;}if (h == head)// head发生变化break;}
}

小结

　本节我们详解了独占和共享两种模式下获取-释放资源(acquire-release、acquireShared-releaseShared)的源码，相信大家都有一定认识了。值得注意的是，acquire()和acquireSahred()两种方法下，线程在等待队列中都是忽略中断的。AQS也支持响应中断的，acquireInterruptibly()/acquireSharedInterruptibly()即是，这里相应的源码跟acquire()和acquireSahred()差不多，这里就不再详解了。

简单应用

　通过前边几个章节的学习，相信大家已经基本理解AQS的原理了。这里再将“框架”一节中的一段话复制过来：

　　不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

• isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
• tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
• tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
• tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。

• tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

  　OK，下面我们就以AQS源码里的Mutex为例，讲一下AQS的简单应用。

Mutex（互斥锁）

Mutex是一个不可重入的互斥锁实现。锁资源（AQS里的state）只有两种状态：0表示未锁定，1表示锁定。下边是Mutex的核心源码：

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {// 自定义同步器private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 判断是否锁定状态protected boolean isHeldExclusively() {return getState() == 1;}// 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。public boolean tryAcquire(int acquires) {assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源return true;}return false;}// 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。protected boolean tryRelease(int releases) {assert releases == 1; // 限定为1个量if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！throw new IllegalMonitorStateException();setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);//释放资源，放弃占有状态return true;}}// 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！private final Sync sync = new Sync();//lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。public void lock() {sync.acquire(1);}//tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。public boolean tryLock() {return sync.tryAcquire(1);}//unlock<-->release。两者语文一样：释放资源。public void unlock() {sync.release(1);}//锁是否占有状态public boolean isLocked() {return sync.isHeldExclusively();}
}

　同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，供自己使用；而同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。当然，接口的实现要直接依赖sync，它们在语义上也存在某种对应关系！！而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase，至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。

　　除了Mutex，ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多，不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点，AQS的核心便被攻破了！

　　OK，至此，整个AQS的讲解也要落下帷幕了。希望本文能够对学习Java并发编程的同学有所借鉴，中间写的有不对的地方，也欢迎讨论和指正~

作者：水岩
　　　　
出处：http://www.cnblogs.com/waterystone/

这篇关于JAVA AQS抽象队列同步器详解的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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