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【深入AQS原理】我画了35张图就是为了让你深入 AQS

创作时间:

作者:

@小白创作中心

【深入AQS原理】我画了35张图就是为了让你深入 AQS

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/daobuxinzi/article/details/140639772

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中用于构建锁和其他同步组件的基础框架。它通过一个volatile int类型的state变量和一个FIFO线程等待队列来实现对共享资源的控制。本文将通过详细分析AQS的实现原理，帮助读者深入理解Java中的锁机制。

AQS实现原理

AQS中维护了一个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能够保证多线程下的可见性，当state=1则代表当前对象锁已经被占有，其他线程来加锁时则会失败，加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中，比列会被UNSAFE.park()操作挂起，等待其他获取锁的线程释放锁才能够被唤醒。另外state的操作都是通过CAS来保证其并发修改的安全性。

具体原理我们可以用一张图来简单概括：

AQS中提供了很多关于锁的实现方法：

getState()：获取锁的标志state值
setState()：设置锁的标志state值
tryAcquire(int)：独占方式获取锁。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
tryRelease(int)：独占方式释放锁。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

这里还有一些方法并没有列出来，接下来我们以ReentrantLock作为突破点通过源码和画图的形式一步步了解AQS内部实现原理。

场景分析

线程一加锁成功

如果同时有三个线程并发抢占锁，此时线程一抢占锁成功，线程二和线程三抢占锁失败，具体执行流程如下：

此时AQS内部数据为：

线程二/三加锁失败

线程二抢占锁失败：

我们按照真实场景来分析，线程一抢占锁成功后，state变为1，线程二通过CAS修改state变量必然会失败。此时AQS中FIFO(First In First Out 先进先出)队列中数据如图所示：

线程二执行tryAcquire()后会返回false，接着执行addWaiter(Node.EXCLUSIVE)逻辑，将自己加入到一个FIFO等待队列中：

线程三抢占锁失败：

看完了线程二抢占锁失败的分析，那么再来分析线程三抢占锁失败就很简单了，先看看addWaiter(Node mode)方法：

线程一释放锁

现在来分析下释放锁的过程，首先是线程一释放锁，释放锁后会唤醒head节点的后置节点，也就是我们现在的线程二，具体操作流程如下：

执行完后等待队列数据如下：

线程二唤醒继续加锁

被唤醒的线程二会接着尝试获取锁，用CAS指令修改state数据。

执行完成后可以查看AQS中数据：

线程二释放锁/线程三加锁

当线程二释放锁时，会唤醒被挂起的线程三，流程和上面大致相同，被唤醒的线程三会再次尝试加锁，具体代码可以参考上面内容。具体流程图如下：

此时AQS中队列数据如图：

公平锁实现原理

上面所有的加锁场景都是基于非公平锁来实现的，非公平锁是ReentrantLock的默认实现，那我们接着来看一下公平锁的实现原理，这里先用一张图来解释公平锁和非公平锁的区别：

非公平锁执行流程：

公平锁执行流程：

公平锁在加锁的时候，会先判断AQS等待队列中是存在节点，如果存在节点则会直接入队等待，具体代码如下：

公平锁在获取锁是也是首先会执行acquire()方法，只不过公平锁单独实现了tryAcquire()方法：

这里会先判断state值，如果不为0且获取锁的线程不是当前线程，直接返回false代表获取锁失败，被加入等待队列。如果是当前线程则可重入获取锁。

如果state=0则代表此时没有线程持有锁，执行hasQueuedPredecessors()判断AQS等待队列中是否有元素存在，如果存在其他等待线程，那么自己也会加入到等待队列尾部，做到真正的先来后到，有序加锁。具体代码如下：

这段代码很有意思，返回false代表队列中没有节点或者仅有一个节点是当前线程创建的节点。返回true则代表队列中存在等待节点，当前线程需要入队等待。

先判断head是否等于tail，如果队列中只有一个Node节点，那么head会等于tail。

接着判断(s = h.next) == null，这种属于一种极端情况，在enq()入队操作中，此时不是原子性操作，可能存在这种情况：

在第一个红框处，例如线程一执行完成，此时head已经有值，而还未执行tail=head的时候，此时线程二判断head != tail成立。而接着线程一执行完第二个红框处，此时tail = node，但是并未将head.next指向node。而这时线程二就会得到head.next == null成立，直接返回true。这种情况代表有节点正在做入队操作。

如果head.next不为空，那么接着判断head.next节点是否为当前线程，如果不是则返回false。大家要记清楚，返回false代表FIFO队列中没有等待获取锁的节点，此时线程可以直接尝试获取锁，如果返回true代表有等待线程，当前线程如要入队排列，这就是体现公平锁的地方。

非公平锁和公平锁的区别：

非公平锁性能高于公平锁性能。非公平锁可以减少CPU唤醒线程的开销，整体的吞吐效率会高点，CPU也不必取唤醒所有线程，会减少唤起线程的数量
非公平锁性能虽然优于公平锁，但是会存在导致线程饥饿的情况。在最坏的情况下，可能存在某个线程一直获取不到锁。不过相比性能而言，饥饿问题可以暂时忽略，这可能就是ReentrantLock默认创建非公平锁的原因之一了。

Condition实现原理

Condition简介

上面已经介绍了AQS所提供的核心功能，当然它还有很多其他的特性，这里我们来继续说下Condition这个组件。

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition中的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition

其中AbstractQueueSynchronizer中实现了Condition中的方法，主要对外提供awaite(Object.wait())和signal(Object.notify())调用。

Condition Demo示例

使用示例代码：

/**
 * ReentrantLock 实现源码学习
 * @author 一枝花算不算浪漫
 * @date 2020/4/28 7:20
 */
public class ReentrantLockDemo {
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Condition condition = lock.newCondition();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("线程一加锁成功");
                System.out.println("线程一执行await被挂起");
                condition.await();
                System.out.println("线程一被唤醒成功");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println("线程一释放锁成功");
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("线程二加锁成功");
                condition.signal();
                System.out.println("线程二唤醒线程一");
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println("线程二释放锁成功");
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下图：

这里线程一先获取锁，然后使用await()方法挂起当前线程并释放锁，线程二获取锁后使用signal唤醒线程一。

Condition实现原理图解

我们还是用上面的demo作为实例，执行的流程如下：

线程一执行await()方法：

先看下具体的代码实现，

await()方法中首先调用addConditionWaiter()将当前线程加入到Condition队列中。

执行完后我们可以看下Condition队列中的数据：

具体实现代码为：

这里会用当前线程创建一个Node节点，waitStatus为CONDITION。接着会释放该节点的锁，调用之前解析过的release()方法，释放锁后此时会唤醒被挂起的线程二，线程二会继续尝试获取锁。

接着调用isOnSyncQueue()方法是判断当前的线程节点是不是在同步队列中，因为上一步已经释放了锁，也就是说此时可能有线程已经获取锁同时可能已经调用了singal()方法，如果已经唤醒，那么就不应该park了，而是退出while方法，从而继续争抢锁。

此时线程一被挂起，线程二获取锁成功。

具体流程如下图：

线程二执行signal()方法：

首先我们考虑下线程二已经获取到锁，此时AQS等待队列中已经没有了数据。

接着就来看看线程二唤醒线程一的具体执行流程：

先判断当前线程是否为获取锁的线程，如果不是则直接抛出异常。

接着调用doSignal()方法来唤醒线程。

这里先从transferForSignal()方法来看，通过上面的分析我们知道Condition队列中只有线程一创建的一个Node节点，且waitStatue为CONDITION，先通过CAS修改当前节点waitStatus为0，然后执行enq()方法将当前线程加入到等待队列中，并返回当前线程的前置节点。

加入等待队列的代码在上面也已经分析过，此时等待队列中数据如下图：

接着开始通过CAS修改当前节点的前置节点waitStatus为SIGNAL，并且唤醒当前线程。此时AQS中等待队列数据为：

线程一被唤醒后，继续执行await()方法中的while循环。

因为此时线程一的waitStatus已经被修改为0，所以执行isOnSyncQueue()方法会返回false。跳出while循环。

接着执行acquireQueued()方法，这里之前也有讲过，尝试重新获取锁，如果获取锁失败继续会被挂起。直到另外线程释放锁才被唤醒。

此时线程一的流程都已经分析完了，等线程二释放锁后，线程一会继续重试获取锁，流程到此终结。

Condition总结

我们总结下Condition和wait/notify的比较：

Condition可以精准的对多个不同条件进行控制，wait/notify只能和synchronized关键字一起使用，并且只能唤醒一个或者全部的等待队列；
Condition需要使用Lock进行控制，使用的时候要注意lock()后及时的unlock()，Condition有类似于await的机制，因此不会产生加锁方式而产生的死锁出现，同时底层实现的是park/unpark的机制，因此也不会产生先唤醒再挂起的死锁，一句话就是不会产生死锁，但是wait/notify会产生先唤醒再挂起的死锁。