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本文目錄

• 一、什麼是 AQS 隊列同步器
• 二、什麼是 CLH 同步隊列
• 三、小結

什麼是 AQS ?

Java的內置鎖一直都是備受爭議的，在JDK 1.6之前，synchronized這個重量級鎖其性能一直都是較為低下，雖然在1.6後，進行大量的鎖優化策略,但是與Lock相比synchronized還是存在一些缺陷的：雖然synchronized提供瞭便捷性的隱式獲取鎖釋放鎖機制（基於JVM機制），但是它卻缺少瞭獲取鎖與釋放鎖的可操作性，可中斷、超時獲取鎖，且它為獨占式在高並發場景下性能大打折扣。

在介紹Lock之前，我們需要先熟悉一個非常重要的組件，掌握瞭該組件JUC包下面很多問題都不在是問題瞭。該組件就是AQS。

AQS，AbstractQueuedSynchronizer，即隊列同步器。它是構建鎖或者其他同步組件的基礎框架（如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等），JUC並發包的作者（Doug Lea）期望它能夠成為實現大部分同步需求的基礎。它是JUC並發包中的核心基礎組件。

AQS解決瞭子啊實現同步器時涉及當的大量細節問題，例如獲取同步狀態、FIFO同步隊列。基於AQS來構建同步器可以帶來很多好處。它不僅能夠極大地減少實現工作，而且也不必處理在多個位置上發生的競爭問題。

在基於AQS構建的同步器中，隻能在一個時刻發生阻塞，從而降低上下文切換的開銷，提高瞭吞吐量。同時在設計AQS時充分考慮瞭可伸縮行，因此J.U.C中所有基於AQS構建的同步器均可以獲得這個優勢。

AQS的主要使用方式是繼承，子類通過繼承同步器並實現它的抽象方法來管理同步狀態。

AQS使用一個int類型的成員變量state來表示同步狀態，當state>0時表示已經獲取瞭鎖，當state = 0時表示釋放瞭鎖。它提供瞭三個方法（getState()、setState(int newState)、compareAndSetState(int expect,int update)）來對同步狀態state進行操作，當然AQS可以確保對state的操作是安全的。

AQS通過內置的FIFO同步隊列來完成資源獲取線程的排隊工作，如果當前線程獲取同步狀態失敗（鎖）時，AQS則會將當前線程以及等待狀態等信息構造成一個節點（Node）並將其加入同步隊列，同時會阻塞當前線程，當同步狀態釋放時，則會把節點中的線程喚醒，使其再次嘗試獲取同步狀態。

AQS主要提供瞭如下一些方法：

• getState()：返回同步狀態的當前值；
• setState(intnewState)：設置當前同步狀態；
• compareAndSetState(intexpect,intupdate)：使用CAS設置當前狀態，該方法能夠保證狀態設置的原子性；
• tryAcquire(intarg)：獨占式獲取同步狀態，獲取同步狀態成功後，其他線程需要等待該線程釋放同步狀態才能獲取同步狀態；
• tryRelease(intarg)：獨占式釋放同步狀態；
• tryAcquireShared(intarg)：共享式獲取同步狀態，返回值大於等於0則表示獲取成功，否則獲取失敗；
• tryReleaseShared(intarg)：共享式釋放同步狀態；
• isHeldExclusively()：當前同步器是否在獨占式模式下被線程占用，一般該方法表示是否被當前線程所獨占；
• acquire(intarg)：獨占式獲取同步狀態，如果當前線程獲取同步狀態成功，則由該方法返回，否則，將會進入同步隊列等待，該方法將會調用可重寫的tryAcquire(int arg)方法；
• acquireInterruptibly(intarg)：與acquire(int arg)相同，但是該方法響應中斷，當前線程為獲取到同步狀態而進入到同步隊列中，如果當前線程被中斷，則該方法會拋出InterruptedException異常並返回；
• tryAcquireNanos(intarg,longnanos)：超時獲取同步狀態，如果當前線程在nanos時間內沒有獲取到同步狀態，那麼將會返回false，已經獲取則返回true；
• acquireShared(intarg)：共享式獲取同步狀態，如果當前線程未獲取到同步狀態，將會進入同步隊列等待，與獨占式的主要區別是在同一時刻可以有多個線程獲取到同步狀態；
• acquireSharedInterruptibly(intarg)：共享式獲取同步狀態，響應中斷；
• tryAcquireSharedNanos(intarg,longnanosTimeout)：共享式獲取同步狀態，增加超時限制；
• release(intarg)：獨占式釋放同步狀態，該方法會在釋放同步狀態之後，將同步隊列中第一個節點包含的線程喚醒；
• releaseShared(intarg)：共享式釋放同步狀態；

CLH同步隊列

那什麼是 CLH同步隊列？

在上面提到瞭AQS內部維護著一個FIFO隊列，該隊列就是CLH同步隊列。

CLH同步隊列是一個FIFO雙向隊列，AQS依賴它來完成同步狀態的管理，當前線程如果獲取同步狀態失敗時，AQS則會將當前線程已經等待狀態等信息構造成一個節點（Node）並將其加入到CLH同步隊列，同時會阻塞當前線程，當同步狀態釋放時，會把首節點喚醒（公平鎖），使其再次嘗試獲取同步狀態。

在CLH同步隊列中，一個節點表示一個線程，它保存著線程的引用（thread）、狀態（waitStatus）、前驅節點（prev）、後繼節點（next），其定義如下：

static final class Node {
 /** 共享 */
 static final Node SHARED = new Node();
 /** 獨占 */
 static final Node EXCLUSIVE = null;
 /**
 * 因為超時或者中斷，節點會被設置為取消狀態，被取消的節點時不會參與到競爭中的，他會一直保持取消狀態不會轉變為其他狀態；
 */
 static final int CANCELLED = 1;
 /**
 * 後繼節點的線程處於等待狀態，而當前節點的線程如果釋放瞭同步狀態或者被取消，將會通知後繼節點，使後繼節點的線程得以運行
 */
 static final SIGNAL = -1;
 /**
 * 節點在等待隊列中，節點線程等待在Condition上，當其他線程對Condition調用瞭signal()後，改節點將會從等待隊列中轉移到同步隊列中，加入到同步狀態的獲取中
 */
 static final int CONDITION = -2;
 /**
 * 表示下一次共享式同步狀態獲取將會無條件地傳播下去
 */
 static final int PROPAGATE = -3;
 /** 等待狀態 */
 volatile int waitStatus;
 /** 前驅節點 */
 volatile Node prev;
 /** 後繼節點 */
 volatile Node next;
 /** 獲取同步狀態的線程 */
 volatile Thread thread;
 Node nextWaiter;
 final boolean isShared() {
 return nextWaiter == SHARED;
 }
 final Node predecessor() throws NullPointerException {
 Node p = prev;
 if (p == null)
 throw new NullPointerException();
 else 
 return p;
 }
 Node() { 
}
 Node(Thread thread, Node mode) {
 this.nextWaiter = mode;
 this.thread = thread;
 }
 Node(Thread thread, int waitStatus) {
 this.waitStatus = waitStatus;
 this.thread = thread;
 }
}

CLH同步隊列結構圖如下：

 

入列

學瞭數據結構的我們，CLH隊列入列是再簡單不過瞭，無非就是tail指向新節點、新節點的prev指向當前最後的節點，當前最後一個節點的next指向當前節點。代碼我們可以看看addWaiter(Node node)方法：

 
private Node addWaiter(Node mode) {
 //新建Node
 Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 //快速嘗試添加尾節點
 Node pred = tail;
 if (pred != null) {
 node.prev = pred;
 //CAS設置尾節點
 if (compareAndSetTail(pred, node)) {
 pred.next = node;
 return node;
 }
 }
 //多次嘗試
 enq(node);
 return node;
 }

addWaiter(Node node)先通過快速嘗試設置尾節點，如果失敗，則調用enq(Node node)方法設置尾節點

 
private Node enq(final Node node) {
 //多次嘗試，直到成功為止
 for (;;) {
 Node t = tail; 
//tail不存在，設置為首節點
 if (t == null) {
 if (compareAndSetHead(new Node()))
 tail = head;
 }
 else {
 //設置為尾節點
 node.prev = t;
 if (compareAndSetTail(t, node)) {
 t.next = node;
 return t;
 }
 }
 }
 }

在上面代碼中，兩個方法都是通過一個CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)來設置尾節點，該方法可以確保節點是線程安全添加的。在enq(Node node)方法中，AQS通過“死循環”的方式來保證節點可以正確添加，隻有成功添加後，當前線程才會從該方法返回，否則會一直執行下去。

過程圖如下：

 

出列

CLH同步隊列遵循FIFO，首節點的線程釋放同步狀態後，將會喚醒它的後繼節點（next），而後繼節點將會在獲取同步狀態成功時將自己設置為首節點，這個過程非常簡單，head執行該節點並斷開原首節點的next和當前節點的prev即可，註意在這個過程是不需要使用CAS來保證的，因為隻有一個線程能夠成功獲取到同步狀態。過程圖如下：

 

代碼示例

本文示例讀者可以通過查看下面倉庫的中的 alibaba/java/ParentClass.java ：

• Github：https://github.com/JeffLi1993/java-core-learning-example
• Gitee：https://gitee.com/jeff1993/java-core-learning-example

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參考資料

Doug Lea：《Java並發編程實戰》方騰飛：《Java並發編程的藝術》