Java并發之AbstractQueuedSynchronizer源碼的示例分析

小編給大家分享一下Java并發之AbstractQueuedSynchronizer源碼的示例分析，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

學習Java并發編程不得不去了解一下java.util.concurrent這個包，這個包下面有許多我們經常用到的并發工具類，例如：ReentrantLock, CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore等。而這些類的底層實現都依賴于AbstractQueuedSynchronizer這個類，由此可見這個類的重要性。所以在Java并發系列文章中我首先對AbstractQueuedSynchronizer這個類進行分析，由于這個類比較重要，而且代碼比較長，為了盡可能分析的透徹一些，我決定用四篇文章對該類進行一個比較完整的介紹。本篇文章作為概要介紹主要是讓讀者們對該類有個初步了解。為了敘述簡單，后續有些地方會用AQS代表這個類。

1. AbstractQueuedSynchronizer這個類是干嘛的？

相信要許多讀者使用過ReentrantLock，但是卻不知道AbstractQueuedSynchronizer的存在。其實ReentrantLock實現了一個內部類Sync，該內部類繼承了AbstractQueuedSynchronizer，所有鎖機制的實現都是依賴于Sync內部類，也可以說ReentrantLock的實現就是依賴于AbstractQueuedSynchronizer類。于此類似，CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore這些類也是采用同樣的方式來實現自己對于鎖的控制。可見，AbstractQueuedSynchronizer是這些類的基石。那么AQS內部到底實現了什么以至于所以這些類都要依賴于它呢？可以這樣說，AQS為這些類提供了基礎設施，也就是提供了一個密碼鎖，這些類擁有了密碼鎖之后可以自己來設置密碼鎖的密碼。此外，AQS還提供了一個排隊區，并且提供了一個線程訓導員，我們知道線程就像一個原始的野蠻人，它不懂得講禮貌，它只會橫沖直撞，所以你得一步一步去教它，告訴它什么時候需要去排隊了，要到哪里去排隊，排隊前要做些什么，排隊后要做些什么。這些教化工作全部都由AQS幫你完成了，從它這里教化出來的線程都變的非常文明懂禮貌，不再是原始的野蠻人，所以以后我們只需要和這些文明的線程打交道就行了，千萬不要和原始線程有過多的接觸！

2. 為何說AbstractQueuedSynchronizer提供了一把密碼鎖？

//同步隊列的頭結點
private transient volatile Node head; 

//同步隊列的尾結點
private transient volatile Node tail;

//同步狀態
private volatile int state;

//獲取同步狀態
protected final int getState() {
 return state;
}

//設置同步狀態
protected final void setState(int newState) {
 state = newState;
}

//以CAS方式設置同步狀態
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
 return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

上面的代碼列出了AQS的所有成員變量，可以看到AQS的成員變量只有三個，分別是同步隊列頭結點引用，同步隊列尾結點引用以及同步狀態。注意，這三個成員變量都使用了volatile關鍵字進行修飾，這就確保了多個線程對它的修改都是內存可見的。整個類的核心就是這個同步狀態，可以看到同步狀態其實就是一個int型的變量，大家可以把這個同步狀態看成一個密碼鎖，而且還是從房間里面鎖起來的密碼鎖，state具體的值就相當于密碼控制著密碼鎖的開合。當然這個鎖的密碼是多少就由各個子類來規定了，例如在ReentrantLock中，state等于0表示鎖是開的，state大于0表示鎖是鎖著的，而在Semaphore中，state大于0表示鎖是開的，state等于0表示鎖是鎖著的。

3. AbstractQueuedSynchronizer的排隊區是怎樣實現的？

AbstractQueuedSynchronizer內部其實有兩個排隊區，一個是同步隊列，一個是條件隊列。從上圖可以看出，同步隊列只有一條，而條件隊列可以有多條。同步隊列的結點分別持有前后結點的引用，而條件隊列的結點只有一個指向后繼結點的引用。圖中T表示線程，每個結點包含一個線程，線程在獲取鎖失敗后首先進入同步隊列排隊，而想要進入條件隊列該線程必須持有鎖才行。接下來我們看看隊列中每個結點的結構。

//同步隊列的結點
static final class Node {
 
 static final Node SHARED = new Node(); //表示當前線程以共享模式持有鎖
 
 static final Node EXCLUSIVE = null; //表示當前線程以獨占模式持有鎖

 static final int CANCELLED = 1;  //表示當前結點已經取消獲取鎖
 
 static final int SIGNAL = -1;  //表示后繼結點的線程需要運行
 
 static final int CONDITION = -2;  //表示當前結點在條件隊列中排隊
 
 static final int PROPAGATE = -3;  //表示后繼結點可以直接獲取鎖

 volatile int waitStatus; //表示當前結點的等待狀態
 
 volatile Node prev;  //表示同步隊列中的前繼結點

 volatile Node next;  //表示同步隊列中的后繼結點 

 volatile Thread thread; //當前結點持有的線程引用
 
 Node nextWaiter;   //表示條件隊列中的后繼結點

 //當前結點狀態是否是共享模式
 final boolean isShared() {
  return nextWaiter == SHARED;
 }

 //返回當前結點的前繼結點
 final Node predecessor() throws NullPointerException {
  Node p = prev;
  if (p == null) {
   throw new NullPointerException();
  } else {
   return p;
  }
 }
 
 //構造器1
 Node() {}
 
 //構造器2, 默認用這個構造器
 Node(Thread thread, Node mode) {
  //注意持有模式是賦值給nextWaiter
  this.nextWaiter = mode;
  this.thread = thread;
 }
 
 //構造器3, 只在條件隊列中用到
 Node(Thread thread, int waitStatus) {
  this.waitStatus = waitStatus;
  this.thread = thread;
 }
}

Node代表同步隊列和條件隊列中的一個結點，它是AbstractQueuedSynchronizer的內部類。Node有很多屬性，比如持有模式，等待狀態，同步隊列中的前繼和后繼，以及條件隊列中的后繼引用等等。可以把同步隊列和條件隊列看成是排隊區，每個結點看成是排隊區的座位，將線程看成是排隊的客人。客人剛來時會先去敲敲門，看看鎖有沒有開，如果鎖沒開它就會去排隊區領取一個號碼牌，聲明自己想要以什么樣的方式來持有鎖，最后再到隊列的末尾進行排隊。

4 怎樣理解獨占模式和共享模式？

前面講到每個客人在排隊前會領取一個號碼牌，聲明自己想要以什么樣的方式來占有鎖，占有鎖的方式分為獨占模式和共享模式，那么怎樣來理解獨占模式和共享模式呢？實在找不到什么好的比喻，大家可以聯想一下公共廁所，獨占模式的人比較霸道，老子要么就不進，進來了就不許別人再進了，自己一個人獨自占用整個廁所。共享模式的人就沒那么講究了，當它發現這個廁所已經可以用了之后，它自己進來還不算，還得熱心的問下后面的人介不介意一起用，如果后面的人不介意一起使用那就不用再排隊了大家一起上就是了， 當然如果后面的人介意那就只好留在隊列里繼續排隊了。

5 怎樣理解結點的等待狀態？

我們還看到每個結點都有一個等待狀態，這個等待狀態分為CANCELLED，SIGNAL，CONDITION，PROPAGATE四種狀態。可以將這個等待狀態看作是掛在座位旁邊的牌子，標識當前座位上的人的等待狀態。這個牌子的狀態不僅自己可以修改，其他人也可以修改。例如當這個線程在排隊過程中已經打算放棄了，它就會將自己座位上的牌子設置為CANCELLED，這樣其他人看到了就可以將它清理出隊列。還有一種情況是，當線程在座位上要睡著之前，它怕自己睡過了頭，就會將前面位置上的牌子改為SIGNAL，因為每個人在離開隊列前都會回到自己座位上看一眼，如果看到牌子上狀態為SIGNAL，它就會去喚醒下一個人。只有保證前面位置上的牌子為SIGNAL，當前線程才會安心的睡去。CONDITION狀態表示該線程在條件隊列中排隊，PROPAGATE狀態提醒后面來的線程可以直接獲取鎖，這個狀態只在共享模式用到，后面單獨講共享模式的時候會講到。

6. 結點進入同步隊列時會進行哪些操作？

//結點入隊操作, 返回前一個結點
private Node enq(final Node node) {
 for (;;) {
  //獲取同步隊列尾結點引用
  Node t = tail;
  //如果尾結點為空說明同步隊列還沒有初始化
  if (t == null) {
   //初始化同步隊列
   if (compareAndSetHead(new Node())) {
    tail = head;
   }
  } else {
   //1.指向當前尾結點
   node.prev = t;
   //2.設置當前結點為尾結點
   if (compareAndSetTail(t, node)) {
    //3.將舊的尾結點的后繼指向新的尾結點
    t.next = node;
    //for循環唯一的出口
    return t;
   }
  }
 }
}

注意，入隊操作使用一個死循環，只有成功將結點添加到同步隊列尾部才會返回，返回結果是同步隊列原先的尾結點。下圖演示了整個操作過程。

讀者需要注意添加尾結點的順序，分為三步：指向尾結點，CAS更改尾結點，將舊尾結點的后繼指向當前結點。在并發環境中這三步操作不一定能保證完成，所以在清空同步隊列所有已取消的結點這一操作中，為了尋找非取消狀態的結點，不是從前向后遍歷而是從后向前遍歷的。還有就是每個結點進入隊列中時它的等待狀態是為0，只有后繼結點的線程需要掛起時才會將前面結點的等待狀態改為SIGNAL。

注：以上全部分析基于JDK1.7，不同版本間會有差異，讀者需要注意。

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