【后端面经-Java】AQS详解
1. AQS是什么？
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。
简单来说，AQS定义了一套框架，来实现同步类。
2. AQS核心思想
2.1 基本框架
AQS的核心思想是对于共享资源，维护一个双端队列来管理线程，队列中的线程依次获取资源，获取不到的线程进入队列等待，直到资源释放，队列中的线程依次获取资源。
AQS的基本框架如图所示：
2.1.1 资源state
state变量表示共享资源，通常是int类型。
- 访问方法
state类型用户无法直接进行修改，而需要借助于AQS提供的方法进行修改，即getState()、setState()、compareAndSetState()等。 - 访问类型
AQS定义了两种资源访问类型:- 独占（Exclusive）:一个时间点资源只能由一个线程占用；
- 共享（Share）:一个时间点资源可以被多个线程共用。
2.1.2 CLH双向队列
CLH队列是一种基于逻辑队列非线程饥饿的自旋公平锁，具体介绍可参考此篇博客。CLH中每个节点都表示一个线程，处于头部的节点获取资源，而其他资源则等待。
- 节点结构
Node类源码如下所示：
static final class Node {
// 模式，分为共享与独占
// 共享模式
static final Node SHARED = new Node();
// 独占模式
static final Node EXCLUSIVE = null;
// 结点状态
// CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消
// SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark
// CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中
// PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
// 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁
static final int CANCELLED = 1;
static final int SIGNAL = -1;
static final int CONDITION = -2;
static final int PROPAGATE = -3;
// 结点状态
volatile int waitStatus;
// 前驱结点
volatile Node prev;
// 后继结点
volatile Node next;
// 结点所对应的线程
volatile Thread thread;
// 下一个等待者
Node nextWaiter;
// 结点是否在共享模式下等待
final boolean isShared() {
return nextWaiter == SHARED;
}
// 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常
final Node predecessor() throws NullPointerException {
// 保存前驱结点
Node p = prev;
if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常
throw new NullPointerException();
else // 前驱结点不为空，返回
return p;
}
// 无参构造方法
Node() { // Used to establish initial head or SHARED marker
}
// 构造方法
Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter
this.nextWaiter = mode;
this.thread = thread;
}
// 构造方法
Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
this.waitStatus = waitStatus;
this.thread = thread;
}
}
Node的方法和属性值如图所示：
其中,
waitStatus表示当前节点在队列中的状态；thread表示当前节点表示的线程；prev和next分别表示当前节点的前驱节点和后继节点；nextWaiterd当存在CONDTION队列时，表示一个condition状态的后继节点。
- waitStatus
结点的等待状态是一个整数值，具体的参数值和含义如下所示：
1-CANCELLED，表示节点获取锁的请求被取消，此时节点不再请求资源；0，是节点初始化的默认值；-1-SIGNAL,表示线程做好准备，等待资源释放；-2-CONDITION，表示节点在condition等待队列中，等待被唤醒而进入同步队列；-3-PROPAGATE，当前线程处于共享模式下的时候会使用该字段。
2.2 AQS模板
AQS提供一系列结构，作为一个完整的模板，自定义的同步器只需要实现资源的获取和释放就可以，而不需要考虑底层的队列修改、状态改变等逻辑。
使用AQS实现一个自定义同步器，需要实现的方法：
isHeldExclusively()：该线程是否独占资源，在使用到condition的时候会实现这一方法；tryAcquire(int)：独占模式获取资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;tryRelease(int):独占模式释放资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;tryAcquireShared(int)：共享模式获取资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;tryReleaseShared(int)：共享模式释放资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
一般来说，一个同步器是资源独占模式或者资源共享模式的其中之一，因此tryAcquire(int)和tryAcquireShared(int)只需要实现一个即可，tryRelease(int)和tryReleaseShared(int)同理。
但是同步器也可以实现两种模式的资源获取和释放，从而实现独占和共享两种模式。
3. 源码分析
3.1 acquire(int)
acquire(int)是获取源码部分的顶层入口，源码如下所示：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
这段代码展现的资源获取流程如下：
tryAcquire()尝试直接去获取资源；获取成功则直接返回- 如果获取失败，则
addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式； acquireQueued()使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。
简单总结就是：
- 获取资源；
- 失败就排队；
- 排队要等待。
从上文的描述可见重要的方法有三个：tryAquire()、addWaiter()、acquireQueued()。下面将逐个分析其源码：
3.1.1 tryAcquire(int)
tryAcquire(int)是获取资源的方法，源码如下所示：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
该方法是一个空方法，需要自定义同步器实现，因此在使用AQS实现同步器时，需要重写该方法。这也是“自定义的同步器只需要实现资源的获取和释放就可以”的体现。
3.1.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)是将线程加入等待队列的尾部，源码如下所示：
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）
//aquire()方法是独占模式，因此直接使用Exclusive参数。
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;
}
首先，使用模式将当前线程构造为一个节点，然后尝试将该节点放入队尾，如果成功则返回，否则调用enq(node)将节点放入队尾，最终返回当前节点的位置指针。
其中，enq(node)方法是将节点加入队列的方法，源码如下所示：
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列
// 保存尾结点
Node t = tail;
if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化
if (compareAndSetHead(new Node())) // 头节点为空，并设置头节点为新生成的结点
tail = head; // 头节点与尾结点都指向同一个新生结点
} else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过
// 将node结点的prev域连接到尾结点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node
// 设置尾结点的next域为node
t.next = node;
return t; // 返回尾结点
}
}
}
}
3.1.3 acquireQueued(Node node, int arg)
这部分源码是将线程阻塞在等待队列中，线程处于等待状态，直到获取到资源后才返回，源码如下所示：
// sync队列中的结点在独占且忽略中断的模式下获取(资源)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
// 标志
boolean failed = true;
try {
// 中断标志
boolean interrupted = false;
for (;;) { // 无限循环
// 获取node节点的前驱结点
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱为头节点并且成功获得锁
setHead(node); // 设置头节点
p.next = null; // help GC
failed = false; // 设置标志
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())//
//shouldParkAfterFailedAcquire只有当该节点的前驱结点的状态为SIGNAL时，才可以对该结点所封装的线程进行park操作。否则，将不能进行park操作。
//parkAndCheckInterrupt首先执行park操作，即禁用当前线程，然后返回该线程是否已经被中断
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireQueued(Node node, int arg)方法的主要逻辑如下：
- 获取
node节点的前驱结点,判断前驱节点是不是头部节点head，有没有成功获取资源。 - 如果前驱结点是头部节点head并且获取了资源，说明自己应该被唤醒，设置该节点为head节点等待下一个获得资源；
- 如果前驱节点不是头部节点或者没有获取资源，则判断是否需要park当前线程，
- 判断前驱节点状态是不是
SIGNAL，是的话则park当前节点，否则不执行park操作；
- 判断前驱节点状态是不是
park当前节点之后，当前节点进入等待状态，等待被其他节点unpark操作唤醒。然后重复此逻辑步骤。
3.2 release(int)
release(int)是释放资源的顶层入口方法，源码如下所示：
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) { // 释放成功
// 保存头节点
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0) // 头节点不为空并且头节点状态不为0
unparkSuccessor(h); //释放头节点的后继结点
return true;
}
return false;
}
release(int)方法的主要逻辑如下：
- 尝试释放资源，如果释放成功则返回
true，否则返回false； - 释放成功之后，需要调用
unparkSuccessor(h)唤醒后继节点。
下面介绍两个重要的源码函数：tryRelease(int)和unparkSuccessor(h)。
3.2.1 tryRelease(int)
tryRelease(int)是释放资源的方法，源码如下所示：
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
这部分是需要自定义同步器自己实现的，要注意的是返回值需要为boolean类型，表示释放资源是否成功。
3.2.2 unparkSuccessor(h)
unparkSuccessor(h)是唤醒后继节点的方法，源码如下所示：
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s
if (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) // 从后向前找。
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
}
这部分主要是查找第一个还处于等待状态的节点，将其唤醒；
查找顺序是从后往前找，这是因为CLH队列中的prev链是强一致的，从后往前找更加安全，而next链因为addWaiter()方法和cancelAcquire()方法的存在，不是强一致的，因此从前往后找可能会出现问题。这部分的具体解释可以参考参考文献-1
3.3 acquireShared(int)和releaseShared(int)
3.3.1 acquireShared(int)
是使用共享模式获取共享资源的顶层入口方法，源码如下所示：
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
流程如下：
- 通过
tryAcquireShared(arg)尝试获取资源，如果获取成功则直接返回； - 如果获取资源失败，则调用
doAcquireShared(arg)将线程阻塞在等待队列中，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。
其中，tryAcquireShared(arg)是获取共享资源的方法，也是需要用户自己实现。
而doAcquireShared(arg)是将线程阻塞在等待队列中，直到获取到资源后才返回，具体流程和acquireQueued()方法类似，
源码如下所示：
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 GC
if (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);
}
}
3.3.2 releaseShared(int)
releaseShared(int)是释放共享资源的顶层入口方法，源码如下所示：
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;
}
流程如下：
- 使用
tryReleaseShared(arg)尝试释放资源，如果释放成功则返回true，否则返回false； - 如果释放成功，则调用
doReleaseShared()唤醒后继节点。
下面介绍一下doReleaseShared()方法，源码如下所示：
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;
}
}
4. 面试问题模拟
Q：AQS是接口吗？有哪些没有实现的方法？看过相关源码吗？
AQS定义了一个实现同步类的框架，实现方法主要有tryAquire和tryRelease，表示独占模式的资源获取和释放，tryAquireShared和tryReleaseShared表示共享模式的资源获取和释放。
源码分析如上文所述。