四、简单应用 - 王朝网络宽屏版

一、概述谈到并发，不得不谈ReentrantLock；而谈到ReentrantLock，不得不谈AbstractQueuedSynchronized（AQS）！

类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch...。

以下是本文的目录大纲：

概述框架源码详解简单应用若有不正之处，请谅解和批评指正，不胜感激。

请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接：http://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html

二、框架

它维护了一个volatile int state（代表共享资源）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）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，在此不述。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，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，成功则返回true，失败则返回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。

三、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。

3.1 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：

1publicfinalvoidacquire(intarg) {2if(!tryAcquire(arg) &&3acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))4selfInterrupt();5}

函数流程如下：

tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回；addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源，一直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。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。这时单凭这4个抽象的函数来看流程还有点朦胧，不要紧，看完接下来的分析后，你就会明白了。就像《大话西游》里唐僧说的：等你明白了舍生取义的道理，你自然会回来和我唱这首歌的。

3.1.1 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：

1PRotectedbooleantryAcquire(intarg) {2thrownewUnsupportedOperationException();3}

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。

3.1.2 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：

1privateNode addWaiter(Node mode) {2//以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）3Node node =newNode(Thread.currentThread(), mode);45//尝试快速方式直接放到队尾。6Node pred =tail;7if(pred !=null) {8node.prev =pred;9if(compareAndSetTail(pred, node)) {10pred.next =node;11returnnode;12}13}1415//上一步失败则通过enq入队。16enq(node);17returnnode;18}

不用再说了，直接看注释吧。

3.1.2.1 enq(Node) 此方法用于将node加入队尾。源码如下：

1privateNode enq(finalNode node) {2//CAS"自旋"，直到成功加入队尾3for(;;) {4Node t =tail;5if(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。6if(compareAndSetHead(newNode()))7tail =head;8}else{//正常流程，放入队尾9node.prev =t;10if(compareAndSetTail(t, node)) {11t.next =node;12returnt;13}14}15}16}

如果你看过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。

3.1.3 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：

1finalbooleanacquireQueued(finalNode node,intarg) {2booleanfailed =true;//标记是否成功拿到资源3try{4booleaninterrupted =false;//标记等待过程中是否被中断过56//又是一个“自旋”！7for(;;) {8finalNode p = node.predecessor();//拿到前驱9//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）。10if(p == head &&tryAcquire(arg)) {11setHead(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。12p.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！13failed =false;14returninterrupted;//返回等待过程中是否被中断过15}1617//如果自己可以休息了，就进入waiting状态，直到被unpark()18if(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&19parkAndCheckInterrupt())20interrupted =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true21}22}finally{23if(failed)24cancelAcquire(node);25}26}

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。

3.1.3.1 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！

1privatestaticbooleanshouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {2intws = pred.waitStatus;//拿到前驱的状态3if(ws ==Node.SIGNAL)4//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5returntrue;6if(ws > 0) {7/*8* 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。9* 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)！10*/11do{12node.prev = pred =pred.prev;13}while(pred.waitStatus > 0);14pred.next =node;15}else{16//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！17compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);18}19returnfalse;20}

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。

3.1.3.2 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。

1privatefinalbooleanparkAndCheckInterrupt() {2LockSupport.park(this);//调用park()使线程进入waiting状态3returnThread.interrupted();//如果被唤醒，查看自己是不是被中断的。4}

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。

3.1.3.3 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：

结点进入队尾后，检查状态，找到安全休息点；调用park()进入waiting状态，等待unpark()或interrupt()唤醒自己；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。

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

1publicfinalvoidacquire(intarg) {2if(!tryAcquire(arg) &&3acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))4selfInterrupt();5}

再来总结下它的流程吧：

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；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；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。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：

至此，acquire()的流程终于算是告一段落了。这也就是ReentrantLock.lock()的流程，不信你去看其lock()源码吧，整个函数就是一条acquire(1)！！！

3.2 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：

1publicfinalbooleanrelease(intarg) {2if(tryRelease(arg)) {3Node h = head;//找到头结点4if(h !=null&& h.waitStatus != 0)5unparkSuccessor(h);//唤醒等待队列里的下一个线程6returntrue;7}8returnfalse;9}

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！！

3.2.1 tryRelease(int)此方法尝试去释放指定量的资源。下面是tryRelease()的源码：

1protectedbooleantryRelease(intarg) {2thrownewUnsupportedOperationException();3}

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。

3.2.2 unparkSuccessor(Node)此方法用于唤醒等待队列中下一个线程。下面是源码：

1privatevoidunparkSuccessor(Node node) {2//这里，node一般为当前线程所在的结点。3intws =node.waitStatus;4if(ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。5compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);67Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s8if(s ==null|| s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消9s =null;10for(Node t = tail; t !=null&& t != node; t =t.prev)11if(t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。12s =t;13}14if(s !=null)15LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒16}

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!

3.2.3 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。

3.3 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：

1publicfinalvoidacquireShared(intarg) {2if(tryAcquireShared(arg) < 0)3doAcquireShared(arg);4}

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。3.3.1 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：

1privatevoiddoAcquireShared(intarg) {2finalNode node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部3booleanfailed =true;//是否成功标志4try{5booleaninterrupted =false;//等待过程中是否被中断过的标志6for(;;) {7finalNode p = node.predecessor();//前驱8if(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9intr = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源10if(r >= 0) {//成功11setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程12p.next =null;//help GC13if(interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。14selfInterrupt();15failed =false;16return;17}18}1920//判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()21if(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&22parkAndCheckInterrupt())23interrupted =true;24}25}finally{26if(failed)27cancelAcquire(node);28}29}

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。因为老大先唤醒老二，老二一看资源不够自己用继续park()，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。

3.3.1.1 setHeadAndPropagate(Node, int)1privatevoidsetHeadAndPropagate(Node node,intpropagate) {2Node h =head;3setHead(node);//head指向自己4//如果还有剩余量，继续唤醒下一个邻居线程5if(propagate > 0 || h ==null|| h.waitStatus < 0) {6Node s =node.next;7if(s ==null||s.isShared())8doReleaseShared();9}10}

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！

doReleaseShared()我们留着下一小节的releaseShared()里来讲。

3.3.2 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）。

3.4 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。下面是releaseShared()的源码：

1publicfinalbooleanreleaseShared(intarg) {2if(tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源3doReleaseShared();//唤醒后继结点4returntrue;5}6returnfalse;7}

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，这主要是基于可重入的考量；而共享模式下的releaseShared()则没有这种要求，一是共享的实质--多线程可并发执行；二是共享模式基本也不会重入吧（至少我还没见过），所以自定义同步器可以根据需要决定返回值。

3.4.1 doReleaseShared()此方法主要用于唤醒后继。下面是它的源码：

1privatevoiddoReleaseShared() {2for(;;) {3Node h =head;4if(h !=null&& h !=tail) {5intws =h.waitStatus;6if(ws ==Node.SIGNAL) {7if(!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))8continue;9unparkSuccessor(h);//唤醒后继10}11elseif(ws == 0 &&12!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))13continue;14}15if(h == head)//head发生变化16

break;17}18}

3.5 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。

四、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：

4.1 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：

1classMuteximplementsLock,java.io.Serializable {2//自定义同步器3privatestaticclassSyncextendsAbstractQueuedSynchronizer {4//判断是否锁定状态5protectedbooleanisHeldExclusively() {6returngetState() == 1;7}89//尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。10publicbooleantryAcquire(intacquires) {11assertacquires == 1;//这里限定只能为1个量12if(compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！13setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源14returntrue;15}16returnfalse;17}1819//尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。20protectedbooleantryRelease(intreleases) {21assertreleases == 1;//限定为1个量22if(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！23thrownewIllegalMonitorStateException();24setExclusiveOwnerThread(null);25setState(0);//释放资源，放弃占有状态26returntrue;27}28}2930//真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！31privatefinalSync sync =newSync();3233//lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。34publicvoidlock() {35sync.acquire(1);36}3738//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。39publicbooleantryLock() {40returnsync.tryAcquire(1);41}4243//unlock<-->release。两者语文一样：释放资源。44publicvoidunlock() {45sync.release(1);46}4748//锁是否占有状态49publicbooleanisLocked() {50returnsync.isHeldExclusively();51}52}

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~