从 acquire 方法开始 —— 获取

为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点

reelase 方法如何释放锁

总结

前言

AQS 是 JUC 中的核心，其中封装了资源的获取和释放，在我们之前的 并发编程之 AQS 源码剖析 文章中，我们已经从 ReentranLock 那里分析了锁的获取和释放。但我有必要再次解释 AQS 的核心 CLH 锁。

这里引用一下别人对于 CLH 的解释：

CLH CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks): 是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。

CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。

Java AQS 的设计对 CLH 锁进行了优化或者说变体。

我们还是从代码开始说起吧。

1. 从 acquire 方法开始 —— 获取

acquire 方法是获取锁的常用方法。代码如下：

public final void acquireQueued(int arg) {

// 当 tryAcquire 返回 true 就说明获取到锁了，直接结束。

// 反之，返回 false 的话，就需要执行后面的方法。

if (!tryAcquire(arg) &&

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

selfInterrupt();

}

只要子类的 tryAcquire 方法返回 false，那么就说明获取锁事变，就需要将自己加入队列。

private Node addWaiter(Node mode) {

// 创建一个独占类型的节点

Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure

Node pred = tail;

// 如果 tail 节点不是 null，就将新节点的 pred 节点设置为 tail 节点。

// 并且将新节点设置成 tail 节点。

if (pred != null) {

node.prev = pred;

if (compareAndSetTail(pred, node)) {

pred.next = node;

return node;

}

}

// 如果 tail 节点是 null，或者 CAS 设置 tail 失败。

// 在 enq 方法中处理

enq(node);

return node;

}

将自己加入了尾部，并更新了 tail 节点。

private Node enq(final Node node) {

for (;;) {

Node t = tail;

// 如果 tail 是 null，就创建一个虚拟节点，同时指向 head 和 tail，称为 初始化。

if (t == null) { // Must initialize

if (compareAndSetHead(new Node()))

tail = head;

} else {// 如果不是 null

// 和 上个方法逻辑一样，将新节点追加到 tail 节点后面，并更新队列的 tail 为新节点。

// 只不过这里是死循环的，失败了还可以再来 。

node.prev = t;

if (compareAndSetTail(t, node)) {

t.next = node;

return t;

}

}

}

}

enq 方法的逻辑是什么呢？当 tail 是 null(没有初始化队列)，就需要初始化队列了。CAS 设置 tail 失败，也会走这里，需要在 enq 方法中循环设置 tail。直到成功。

注意：这里会创建一个虚拟节点。

2. 为什么 AQS 需要一个虚拟 head 节点

为什么要创建一个虚拟节点呢？

事情要从 Node 类的 waitStatus 变量说起，简称 ws。每个节点都有一个 ws 变量，用于这个节点状态的一些标志。初始状态是 0。如果被取消了，节点就是 1，那么他就会被 AQS 清理。

还有一个重要的状态：SIGNAL —— -1，表示：当当前节点释放锁的时候，需要唤醒下一个节点。

所有，每个节点在休眠前，都需要将前置节点的 ws 设置成 SIGNAL。否则自己永远无法被唤醒。

而为什么需要这么一个 ws 呢？—— 防止重复操作。假设，当一个节点已经被释放了，而此时另一个线程不知道，再次释放。这时候就错误了。

所以，需要一个变量来保证这个节点的状态。而且修改这个节点，必须通过 CAS 操作保证线程安全。

So，回到我们之前的问题：为什么要创建一个虚拟节点呢？

每个节点都必须设置前置节点的 ws 状态为 SIGNAL，所以必须要一个前置节点，而这个前置节点，实际上就是当前持有锁的节点。

问题在于有个边界问题：第一个节点怎么办？他是没有前置节点的。

那就创建一个假的。

这就是为什么要创建一个虚拟节点的原因。

总结下来就是：每个节点都需要设置前置节点的 ws 状态(这个状态为是为了保证数据一致性)，而第一个节点是没有前置节点的，所以需要创建一个虚拟节点。

回到我们的 acquireQueued 方法证实一下：

// 这里返回的节点是新创建的节点，arg 是请求的数量

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {

boolean failed = true;

try {

boolean interrupted = false;

for (;;) {

// 找上一个节点

final Node p = node.predecessor();

// 如果上一个节点是 head ，就尝试获取锁

// 如果 获取成功，就将当前节点设置为 head，注意 head 节点是永远不会唤醒的。

if (p == head && tryAcquire(arg)) {

setHead(node);

p.next = null; // help GC

failed = false;

return interrupted;

}

// 在获取锁失败后，就需要阻塞了。

// shouldParkAfterFailedAcquire ---> 检查上一个节点的状态，如果是 SIGNAL 就阻塞，否则就改成 SIGNAL。

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

parkAndCheckInterrupt())

interrupted = true;

}

} finally {

if (failed)

cancelAcquire(node);

}

}

这个方法有 2 个逻辑：

如何将自己挂起？

被唤醒之后做什么？

先回答第二个问题： 被唤醒之后做什么？

尝试拿锁，成功之后，将自己设置为 head，断开和 next 的连接。

再看第二个问题：如何将自己挂起？

注意：挂起自己之前，需要将前置节点的 ws 状态设置成 SIGNAL，告诉他：你释放锁的时候记得唤醒我。

具体逻辑在 shouldParkAfterFailedAcquire 方法中：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {

int ws = pred.waitStatus;

// 如果他的上一个节点的 ws 是 SIGNAL，他就需要阻塞。

if (ws == Node.SIGNAL)

// 阻塞

return true;

// 前任被取消。 跳过前任并重试。

if (ws > 0) {

do {

// 将前任的前任 赋值给 当前的前任

node.prev = pred = pred.prev;

} while (pred.waitStatus > 0);

// 将前任的前任的 next 赋值为 当前节点

pred.next = node;

} else {

// 如果没有取消 || 0 || CONDITION || PROPAGATE，那么就将前任的 ws 设置成 SIGNAL.

// 为什么必须是 SIGNAL 呢？

// 答：希望自己的上一个节点在释放锁的时候，通知自己(让自己获取锁)

compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

}

// 重来

return false;

}

该方法的主要逻辑就是将前置节点的状态修改成 SIGNAL。其中如果前置节点被取消了，就跳过他。

那么肯定，在前置节点释放锁的时候，肯定会唤醒这个节点。看看释放的逻辑吧。

3. reelase 方法如何释放锁

先来一波代码:

public final boolean release(int arg) {

if (tryRelease(arg)) {

Node h = head;

// 所有的节点在将自己挂起之前，都会将前置节点设置成 SIGNAL，希望前置节点释放的时候，唤醒自己。

// 如果前置节点是 0 ，说明前置节点已经释放过了。不能重复释放了，后面将会看到释放后会将 ws 修改成0.

if (h != null && h.waitStatus != 0)

unparkSuccessor(h);

return true;

}

return false;

}

从这个方法的判断就可以看出，head 必须不等于 0。为什么呢？当一个节点尝试挂起自己之前，都会将前置节点设置成 SIGNAL -1，就算是第一个加入队列的节点，在获取锁失败后，也会将虚拟节点设置的 ws 设置成 SIGNAL。

而这个判断也是防止多线程重复释放。

那么肯定，在释放锁之后，肯定会将 ws 状态设置成 0。防止重复操作。

代码如下：

private void unparkSuccessor(Node node) {

int ws = node.waitStatus;

if (ws < 0)

// 将 head 节点的 ws 改成 0，清除信号。表示，他已经释放过了。不能重复释放。

compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

Node s = node.next;

// 如果 next 是 null，或者 next 被取消了。就从 tail 开始向上找节点。

if (s == null || s.waitStatus > 0) {

s = null;

// 从尾部开始，向前寻找未被取消的节点，直到这个节点是 null，或者是 head。

// 也就是说，如果 head 的 next 是 null，那么就从尾部开始寻找，直到不是 null 为止，找到这个 head 就不管了。

// 如果是 head 的 next 不是 null，但是被取消了，那这个节点也会被略过。

for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)

if (t.waitStatus <= 0)

s = t;

}

// 唤醒 head.next 这个节点。

// 通常这个节点是 head 的 next。

// 但如果 head.next 被取消了，就会从尾部开始找。

if (s != null)

LockSupport.unpark(s.thread);

}

如果 ws 小于 0，我们假设是 SIGNAL，就修改成 0. 证实了我们的想法。

如果他的 next 是 null，说明 next 取消了，那么就从尾部开始向上寻找(不从尾部也没办法)。当然找的过程中，也跳过了失效的节点。

最后，唤醒他。

唤醒之后的逻辑是什么样子的还记得吗？

复习一下：拿锁，设置自己为 head，断开前任 head 和自己的连接。

4. 总结

AQS 使用的 CLH 锁，需要一个虚拟 head 节点，这个节点的作用是防止重复释放锁。当第一个进入队列的节点没有前置节点的时候，就会创建一个虚拟的。

来一幅图尝试解释 AQS 吧：

新增节点时

image.png

更新 tail

image.png

唤醒节点时，之前的 head 取消了

image.png