【後端面經-Java】AQS詳解

1. AQS是什麼？
2. AQS核心思想
- 2.1 基本框架
  - 2.1.1 資源state
  - 2.1.2 CLH雙向佇列
- 2.2 AQS模板
3. 原始碼分析
4. 面試問題模擬
參考資料

1. AQS是什麼？

AQS定義了一套多執行緒存取共用資源的同步器框架，許多同步類實現都依賴於它，如常用的ReentrantLock。
簡單來說，AQS定義了一套框架，來實現同步類。

2. AQS核心思想

2.1 基本框架

AQS的核心思想是對於共用資源，維護一個雙端佇列來管理執行緒，佇列中的執行緒依次獲取資源，獲取不到的執行緒進入佇列等待，直到資源釋放，佇列中的執行緒依次獲取資源。
AQS的基本框架如圖所示：

2.1.1 資源state

state變數表示共用資源，通常是int型別。

存取方法
state型別使用者無法直接進行修改，而需要藉助於AQS提供的方法進行修改，即getState()、setState()、compareAndSetState()等。
存取型別
AQS定義了兩種資源存取型別:
- 獨佔（Exclusive）:一個時間點資源只能由一個執行緒佔用；
- 共用（Share）:一個時間點資源可以被多個執行緒共用。

2.1.2 CLH雙向佇列

CLH佇列是一種基於邏輯佇列非執行緒飢餓的自旋公平鎖，具體介紹可參考此篇部落格。CLH中每個節點都表示一個執行緒，處於頭部的節點獲取資源，而其他資源則等待。

節點結構
Node類原始碼如下所示：

static final class Node {
    // 模式，分為共用與獨佔
    // 共用模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 獨佔模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;        
    // 結點狀態
    // CANCELLED，值為1，表示當前的執行緒被取消
    // SIGNAL，值為-1，表示當前節點的後繼節點包含的執行緒需要執行，也就是unpark
    // CONDITION，值為-2，表示當前節點在等待condition，也就是在condition佇列中
    // PROPAGATE，值為-3，表示當前場景下後續的acquireShared能夠得以執行
    // 值為0，表示當前節點在sync佇列中，等待著獲取鎖
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;        

    // 結點狀態
    volatile int waitStatus;        
    // 前驅結點
    volatile Node prev;    
    // 後繼結點
    volatile Node next;        
    // 結點所對應的執行緒
    volatile Thread thread;        
    // 下一個等待者
    Node nextWaiter;
    
    // 結點是否在共用模式下等待
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    // 獲取前驅結點，若前驅結點為空，丟擲異常
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        // 儲存前驅結點
        Node p = prev; 
        if (p == null) // 前驅結點為空，丟擲異常
            throw new NullPointerException();
        else // 前驅結點不為空，返回
            return p;
    }
    
    // 無參構造方法
    Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
    }
    
    // 構造方法
        Node(Thread thread, Node mode) {    // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    
    // 構造方法
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

Node的方法和屬性值如圖所示：

其中,

waitStatus表示當前節點在佇列中的狀態；
thread表示當前節點表示的執行緒；
prev和next分別表示當前節點的前驅節點和後繼節點；
nextWaiterd當存在CONDTION佇列時，表示一個condition狀態的後繼節點。

waitStatus
結點的等待狀態是一個整數值，具體的引數值和含義如下所示：

1-CANCELLED，表示節點獲取鎖的請求被取消，此時節點不再請求資源；
0，是節點初始化的預設值；
-1-SIGNAL,表示執行緒做好準備，等待資源釋放；
-2-CONDITION，表示節點在condition等待佇列中，等待被喚醒而進入同步佇列；
-3-PROPAGATE，當前執行緒處於共用模式下的時候會使用該欄位。

2.2 AQS模板

AQS提供一系列結構，作為一個完整的模板，自定義的同步器只需要實現資源的獲取和釋放就可以，而不需要考慮底層的佇列修改、狀態改變等邏輯。
使用AQS實現一個自定義同步器，需要實現的方法：

isHeldExclusively()：該執行緒是否獨佔資源，在使用到condition的時候會實現這一方法；
tryAcquire(int)：獨佔模式獲取資源的方式，成功獲取返回true，否則返回false;
tryRelease(int):獨佔模式釋放資源的方式，成功獲取返回true，否則返回false;
tryAcquireShared(int)：共用模式獲取資源的方式，成功獲取返回true，否則返回false;
tryReleaseShared(int)：共用模式釋放資源的方式，成功獲取返回true，否則返回false;

一般來說，一個同步器是資源獨佔模式或者資源共用模式的其中之一，因此tryAcquire(int)和tryAcquireShared(int)只需要實現一個即可，tryRelease(int)和tryReleaseShared(int)同理。
但是同步器也可以實現兩種模式的資源獲取和釋放，從而實現獨佔和共用兩種模式。

3. 原始碼分析

3.1 acquire(int)

acquire(int)是獲取原始碼部分的頂層入口，原始碼如下所示：

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

這段程式碼展現的資源獲取流程如下：

tryAcquire()嘗試直接去獲取資源；獲取成功則直接返回
如果獲取失敗，則addWaiter()將該執行緒加入等待佇列的尾部，並標記為獨佔模式；
acquireQueued()使執行緒阻塞在等待佇列中獲取資源，一直獲取到資源後才返回。

簡單總結就是：

獲取資源；
失敗就排隊；
排隊要等待。

從上文的描述可見重要的方法有三個：tryAquire()、addWaiter()、acquireQueued()。下面將逐個分析其原始碼：

3.1.1 tryAcquire(int)

tryAcquire(int)是獲取資源的方法，原始碼如下所示：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
      throw new UnsupportedOperationException();
}

該方法是一個空方法，需要自定義同步器實現，因此在使用AQS實現同步器時，需要重寫該方法。這也是「自定義的同步器只需要實現資源的獲取和釋放就可以」的體現。

3.1.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

addWaiter(Node.EXCLUSIVE)是將執行緒加入等待佇列的尾部，原始碼如下所示：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //以給定模式構造結點。mode有兩種：EXCLUSIVE（獨佔）和SHARED（共用）
    //aquire()方法是獨佔模式，因此直接使用Exclusive引數。
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    //嘗試快速方式直接放到隊尾。
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }

    //上一步失敗則通過enq入隊。
    enq(node);
    return node;
}

首先，使用模式將當前執行緒構造為一個節點，然後嘗試將該節點放入隊尾，如果成功則返回，否則呼叫enq(node)將節點放入隊尾，最終返回當前節點的位置指標。
其中，enq(node)方法是將節點加入佇列的方法，原始碼如下所示：

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) { // 無限迴圈，確保結點能夠成功入佇列
        // 儲存尾結點
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 尾結點為空，即還沒被初始化
            if (compareAndSetHead(new Node())) // 頭節點為空，並設定頭節點為新生成的結點
                tail = head; // 頭節點與尾結點都指向同一個新生結點
        } else { // 尾結點不為空，即已經被初始化過
            // 將node結點的prev域連線到尾結點
            node.prev = t; 
            if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比較結點t是否為尾結點，若是則將尾結點設定為node
                // 設定尾結點的next域為node
                t.next = node; 
                return t; // 返回尾結點
            }
        }
    }
}

3.1.3 acquireQueued(Node node, int arg)

這部分原始碼是將執行緒阻塞在等待佇列中，執行緒處於等待狀態，直到獲取到資源後才返回，原始碼如下所示：

// sync佇列中的結點在獨佔且忽略中斷的模式下獲取(資源)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 標誌
    boolean failed = true;
    try {
        // 中斷標誌
        boolean interrupted = false;
        for (;;) { // 無限迴圈
            // 獲取node節點的前驅結點
            final Node p = node.predecessor(); 
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驅為頭節點並且成功獲得鎖
                setHead(node); // 設定頭節點
                p.next = null; // help GC
                failed = false; // 設定標誌
                return interrupted; 
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())//
                //shouldParkAfterFailedAcquire只有當該節點的前驅結點的狀態為SIGNAL時，才可以對該結點所封裝的執行緒進行park操作。否則，將不能進行park操作。
                //parkAndCheckInterrupt首先執行park操作，即禁用當前執行緒，然後返回該執行緒是否已經被中斷
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

acquireQueued(Node node, int arg)方法的主要邏輯如下：

獲取node節點的前驅結點,判斷前驅節點是不是頭部節點head，有沒有成功獲取資源。
如果前驅結點是頭部節點head並且獲取了資源，說明自己應該被喚醒，設定該節點為head節點等待下一個獲得資源；
如果前驅節點不是頭部節點或者沒有獲取資源，則判斷是否需要park當前執行緒，
- 判斷前驅節點狀態是不是SIGNAL，是的話則park當前節點，否則不執行park操作；
park當前節點之後，當前節點進入等待狀態，等待被其他節點unpark操作喚醒。然後重複此邏輯步驟。

3.2 release(int)

release(int)是釋放資源的頂層入口方法，原始碼如下所示：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) { // 釋放成功
        // 儲存頭節點
        Node h = head; 
        if (h != null && h.waitStatus != 0) // 頭節點不為空並且頭節點狀態不為0
            unparkSuccessor(h); //釋放頭節點的後繼結點
        return true;
    }
    return false;
}

release(int)方法的主要邏輯如下：

嘗試釋放資源，如果釋放成功則返回true，否則返回false；
釋放成功之後，需要呼叫unparkSuccessor(h)喚醒後繼節點。

下面介紹兩個重要的原始碼函數：tryRelease(int)和unparkSuccessor(h)。

3.2.1 tryRelease(int)

tryRelease(int)是釋放資源的方法，原始碼如下所示：

protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

這部分是需要自定義同步器自己實現的，要注意的是返回值需要為boolean型別，表示釋放資源是否成功。

3.2.2 unparkSuccessor(h)

unparkSuccessor(h)是喚醒後繼節點的方法，原始碼如下所示：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //這裡，node一般為當前執行緒所在的結點。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零當前執行緒所在的結點狀態，允許失敗。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一個需要喚醒的結點s
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果為空或已取消
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 從後向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//從這裡可以看出，<=0的結點，都是還有效的結點。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//喚醒
}

這部分主要是查詢第一個還處於等待狀態的節點，將其喚醒；
查詢順序是從後往前找，這是因為CLH佇列中的prev鏈是強一致的，從後往前找更加安全，而next鏈因為addWaiter()方法和cancelAcquire()方法的存在，不是強一致的，因此從前往後找可能會出現問題。這部分的具體解釋可以參考參考文獻-1

3.3 acquireShared(int)和releaseShared(int)

3.3.1 acquireShared(int)

是使用共用模式獲取共用資源的頂層入口方法，原始碼如下所示：

public final void acquireShared(int arg) {
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireShared(arg);
}

流程如下：

通過tryAcquireShared(arg)嘗試獲取資源，如果獲取成功則直接返回；
如果獲取資源失敗，則呼叫doAcquireShared(arg)將執行緒阻塞在等待佇列中，直到被unpark()/interrupt()併成功獲取到資源才返回。

其中，tryAcquireShared(arg)是獲取共用資源的方法，也是需要使用者自己實現。

而doAcquireShared(arg)是將執行緒阻塞在等待佇列中，直到獲取到資源後才返回，具體流程和acquireQueued()方法類似，
原始碼如下所示：

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入佇列尾部
    boolean failed = true;//是否成功標誌
    try {
        boolean interrupted = false;//等待過程中是否被中斷過的標誌
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//前驅
            if (p == head) {//如果到head的下一個，因為head是拿到資源的執行緒，此時node被喚醒，很可能是head用完資源來喚醒自己的
                int r = tryAcquireShared(arg);//嘗試獲取資源
                if (r >= 0) {//成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//將head指向自己，還有剩餘資源可以再喚醒之後的執行緒
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)//如果等待過程中被打斷過，此時將中斷補上。
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }

            //判斷狀態，尋找安全點，進入waiting狀態，等著被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

3.3.2 releaseShared(int)

releaseShared(int)是釋放共用資源的頂層入口方法，原始碼如下所示：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {//嘗試釋放資源
        doReleaseShared();//喚醒後繼結點
        return true;
    }
    return false;
}