Java并发中AQS原理的示例分析

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1、线程阻塞原语

Java 的线程阻塞和唤醒是通过 Unsafe 类的 park 和 unpark 方法做到的。

这两个方法都是 native 方法，它们本身是由 C 语言来实现的核心功能。park 的意思是停车，让当前运行的线程 Thread.currentThread() 休眠，unpark 的意思是解除停车，唤醒指定线程。

这两个方法在底层是使用操作系统提供的信号量机制来实现的。具体实现过程要深究 C 代码，这里暂时不去具体分析。park 方法的两个参数用来控制休眠多长时间，第一个参数 isAbsolute 表示第二个参数是绝对时间还是相对时间，单位是毫秒。

线程从启动开始就会一直跑，除了操作系统的任务调度策略外，它只有在调用 park 的时候才会暂停运行。锁可以暂停线程的奥秘所在正是因为锁在底层调用了 park 方法。

2、parkBlocker

线程对象 Thread 里面有一个重要的属性 parkBlocker，它保存当前线程因为什么而 park。就好比停车场上停了很多车，这些车主都是来参加一场拍卖会的，等拍下自己想要的物品后，就把车开走。那么这里的 parkBlocker 大约就是指这场「拍卖会」。它是一系列冲突线程的管理者协调者，哪个线程该休眠该唤醒都是由它来控制的。

当线程被 unpark 唤醒后，这个属性会被置为 null。Unsafe.park 和 unpark 并不会帮我们设置 parkBlocker 属性，负责管理这个属性的工具类是 LockSupport，它对 Unsafe 这两个方法进行了简单的包装。

Java 的锁数据结构正是通过调用 LockSupport 来实现休眠与唤醒的。线程对象里面的 parkBlocker 字段的值就是下面我们要讲的「排队管理器」。

3、排队管理器

当多个线程争用同一把锁时，必须有排队机制将那些没能拿到锁的线程串在一起。当锁释放时，锁管理器就会挑选一个合适的线程来占有这个刚刚释放的锁。

每一把锁内部都会有这样一个队列管理器，管理器里面会维护一个等待的线程队列。ReentrantLock 里面的队列管理器是 AbstractQueuedSynchronizer，它内部的等待队列是一个双向列表结构。

加锁不成功时，当前的线程就会把自己纳入到等待链表的尾部，然后调用 LockSupport.park 将自己休眠。其它线程解锁时，会从链表的表头取一个节点，调用 LockSupport.unpark 唤醒它。

AbstractQueuedSynchronizer 类是一个抽象类，它是所有的锁队列管理器的父类，JDK 中的各种形式的锁其内部的队列管理器都继承了这个类，它是 Java 并发世界的核心基石。

比如 ReentrantLock、ReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore、ThreadPoolExecutor 内部的队列管理器都是它的子类。这个抽象类暴露了一些抽象方法，每一种锁都需要对这个管理器进行定制。而 JDK 内置的所有并发数据结构都是在这些锁的保护下完成的，它是JDK 多线程高楼大厦的地基。

锁管理器维护的只是一个普通的双向列表形式的队列，这个数据结构很简单，但是仔细维护起来却相当复杂，因为它需要精细考虑多线程并发问题，每一行代码都写的无比小心。

JDK 锁管理器的实现者是 Douglas S. Lea，Java 并发包几乎全是他单枪匹马写出来的，在算法的世界里越是精巧的东西越是适合一个人来做。

后面我们将 AbstractQueuedSynchronizer 简写成 AQS。我必须提醒各位读者，AQS 太复杂了，如果在理解它的路上遇到了挫折，这很正常。目前市场上并不存在一本可以轻松理解 AQS 的书籍，能够吃透 AQS 的人太少太少，我自己也不算。

4、公平锁与非公平锁

公平锁会确保请求锁和获得锁的顺序，如果在某个点锁正处于自由状态，这时有一个线程要尝试加锁，公平锁还必须查看当前有没有其它线程排在排队，而非公平锁可以直接插队。联想一下在肯德基买汉堡时的排队场景。

也许你会问，如果某个锁处于自由状态，那它怎么会有排队的线程呢?我们假设此刻持有锁的线程刚刚释放了锁，它唤醒了等待队列中第一个节点线程，这时候被唤醒的线程刚刚从 park 方法返回，接下来它就会尝试去加锁，那么从 park 返回到加锁之间的状态就是锁的自由态，这很短暂，而这短暂的时间内还可能有其它线程也在尝试加锁。

其次还有一点需要注意，执行了 Lock.park 方法的线程自我休眠后，并不是非要等到其它线程 unpark 了自己才会醒来，它可能随时会以某种未知的原因醒来。我们看源码注释，park 返回的原因有四种：

①其它线程 unpark 了当前线程;

②时间到了自然醒(park 有时间参数);

③其它线程 interrupt 了当前线程;

④其它未知原因导致的「假醒」;

文档中没有明确说明何种未知原因会导致假醒，它倒是说明了当 park 方法返回时并不意味着锁自由了，醒过来的线程在重新尝试获取锁失败后将会再次 park 自己。所以加锁的过程需要写在一个循环里，在成功拿到锁之前可能会进行多次尝试。

计算机世界非公平锁的服务效率要高于公平锁，所以 Java 默认的锁都使用了非公平锁。不过现实世界似乎非公平锁的效率会差一点，比如在肯德基如果可以不停插队，你可以想象现场肯定一片混乱。为什么计算机世界和现实世界会有差异，大概是因为在计算机世界里某个线程插队并不会导致其它线程抱怨。

5、共享锁与排他锁

ReentrantLock 的锁是排他锁，一个线程持有，其它线程都必须等待。而 ReadWriteLock 里面的读锁不是排他锁，它允许多线程同时持有读锁，这是共享锁。共享锁和排他锁是通过 Node 类里面的 nextWaiter 字段区分的。

那为什么这个字段没有命名成 mode 或者 type 或者干脆直接叫 shared?这是因为 nextWaiter 在其它场景还有不一样的用途，它就像 C 语言联合类型的字段一样随机应变，只不过 Java 语言没有联合类型。

6、条件变量

关于条件变量，需要提出的第一个问题是为什么需要条件变量，只有锁还不够么?考虑下面的伪代码，当某个条件满足时，才去干某件事

当条件不满足时，就循环重试(其它线程会通过加锁来修改条件)，但是需要间隔 sleep，不然 CPU 就会因为空转而飙高。这里存在一个问题，那就是 sleep 多久不好控制。间隔太久，会拖慢整体效率，甚至会错过时机(条件瞬间满足了又立即被重置了)，间隔太短，又回导致 CPU 空转。有了条件变量，这个问题就可以解决了

await() 方法会一直阻塞在 cond 条件变量上直到被另外一个线程调用了 cond.signal() 或者 cond.signalAll() 方法后才会返回，await() 阻塞时会自动释放当前线程持有的锁，await() 被唤醒后会再次尝试持有锁(可能又需要排队)，拿到锁成功之后 await() 方法才能成功返回。

阻塞在条件变量上的线程可以有多个，这些阻塞线程会被串联成一个条件等待队列。当 signalAll() 被调用时，会唤醒所有的阻塞线程，让所有的阻塞线程重新开始争抢锁。如果调用的是 signal() 只会唤醒队列头部的线程，这样可以避免「惊群问题」。

await() 方法必须立即释放锁，否则临界区状态就不能被其它线程修改，condition_is_true() 返回的结果也就不会改变。 这也是为什么条件变量必须由锁对象来创建，条件变量需要持有锁对象的引用这样才可以释放锁以及被 signal 唤醒后重新加锁。

创建条件变量的锁必须是排他锁，如果是共享锁被 await() 方法释放了并不能保证临界区的状态可以被其它线程来修改，可以修改临界区状态的只能是排他锁。

有了条件变量，sleep 不好控制的问题就解决了。当条件满足时，调用 signal() 或者 signalAll() 方法，阻塞的线程可以立即被唤醒，几乎没有任何延迟。

7、条件等待队列

当多个线程 await() 在同一个条件变量上时，会形成一个条件等待队列。同一个锁可以创建多个条件变量，就会存在多个条件等待队列。这个队列和 AQS 的队列结构很接近，只不过它不是双向队列，而是单向队列。队列中的节点和 AQS 等待队列的节点是同一个类，但是节点指针不是 prev 和 next，而是 nextWaiter。

ConditionObject 是 AQS 的内部类，这个对象里会有一个隐藏的指针 this$0 指向外部的 AQS 对象，ConditionObject 可以直接访问 AQS 对象的所有属性和方法(加锁解锁)。位于条件等待队列里的所有节点的 waitStatus 状态都被标记为 CONDITION，表示节点是因为条件变量而等待。

8、队列转移

当条件变量的 signal() 方法被调用时，条件等待队列的头节点线程会被唤醒，该节点从条件等待队列中被摘走，然后被转移到 AQS 的等待队列中，准备排队尝试重新获取锁。这时节点的状态从 CONDITION 转为 SIGNAL，表示当前节点是被条件变量唤醒转移过来的。

被转移的节点的 nextWaiter 字段的含义也发生了变更，在条件队列里它是下一个节点的指针，在 AQS 等待队列里它是共享锁还是互斥锁的标志。

9、读写锁

读写锁分为两个锁对象 ReadLock 和 WriteLock，这两个锁对象共享同一个 AQS。AQS 的锁计数变量 state 将分为两个部分，前 16bit 为共享锁 ReadLock 计数，后 16bit 为互斥锁 WriteLock 计数。互斥锁记录的是当前写锁重入的次数，共享锁记录的是所有当前持有共享读锁的线程重入总次数。

读写锁同样也需要考虑公平锁和非公平锁。共享锁和互斥锁的公平锁策略和 ReentrantLock 一样，就是看看当前还有没有其它线程在排队，自己会乖乖排到队尾。非公平锁策略不一样，它会比较偏向于给写锁提供更多的机会。

如果当前 AQS 队列里有任何读写请求的线程在排队，那么写锁可以直接去争抢，但是如果队头是写锁请求，那么读锁需要将机会让给写锁，去队尾排队。 毕竟读写锁适合读多写少的场合，对于偶尔出现一个写锁请求就应该得到更高的优先级去处理。

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