AQS獨占鎖的獲取

AQS提供了兩種鎖，獨占鎖和共享鎖。獨占鎖只有一把鎖，同一時間只允許一個線程獲得鎖；而共享鎖則有多把鎖，同一時間允許多個線程獲得鎖。我們本文主要講獨占鎖。

一. 獨占鎖的獲取

AQS中對獨占鎖的獲取一共有三個方法：

1. acquire：不響應中斷獲取獨占鎖
2. acquireInterruptibly：響應中斷獲取獨占鎖
3. tryAcquireNanos：響應中斷+超時獲取獨占鎖

由于篇幅，我們主要著眼于acquire方法，當然，只要你理解了acquire，acquireInterruptibly和tryAcquireNanos自然不在話下了，因為這兩個方法只是在acquire的基礎上增加了一些判斷邏輯來處理中斷和超時情況而已。

我們上源碼

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

其acquire方法中一共有四個方法，其邏輯也分為4步：

1. tryAcquire ：嘗試獲取鎖，成功即acquire方法結束，否則調用addWaiter
2. addWaiter ：獲取鎖失敗即調用此方法入隊，即將獲取鎖失敗的線程包裝成Node放入同步隊列的隊尾
3. acquireQueued ：入隊成功后即調用此方法，如果Node在隊首則再次搶鎖，否則掛起等待喚醒（喚醒后再去獲取鎖）
4. selfInterrupt ：如果是被中斷喚醒，則再次執(zhí)行中斷

粗略介紹完后，我們現(xiàn)在一個一個方法看。

1.1 tryAcquire

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

tryAcquire是鉤子方法，是我們根據(jù)需要重寫的。其功能就是在獨占模式下去獲取鎖，獲取成功則返回true，acquire方法直接結束；如果獲取失敗返回false，則后續(xù)會調用后面要講的addWaiter方法將線程入隊。

因為AQS是模板類，不同的子類只需要重寫不同的鉤子方法，因此，tryAcquire不能設置成抽象方法，不然一些不需要此鉤子方法的子類也要實現(xiàn)這個方法。所以作者對tryAcquire的默認實現(xiàn)是拋了一個異常（當然我認為直接寫個return也是ok的）。

1.2 addWaiter

如果tryAcquire獲取鎖失敗后，我們就會調用addWaiter將線程包裝成Node入隊掛起。addWaiter的大致邏輯是：先將線程包裝成Node，然后入隊，如果隊列未初始化或者入隊失敗，則會調用子方法enq，enq來進行初始化隊列和自旋入隊，我們看下具體代碼：

private Node addWaiter(Node mode) {
   // 將此線程包裝成Node
   Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
   // 將pred指向尾結點
   Node pred = tail;
   // 如果pred 即尾結點不為null,說明同步隊列初始化完成了。
   if (pred != null) {
       // 尾插法
       // 步驟一：將node的前驅指針指向當前尾結點
       node.prev = pred;
       // 步驟二：通過CAS將尾結點指向當前節(jié)點
       if (compareAndSetTail(pred, node)) {
           pred.next = node;
           return node;
       }
   }
   // 走到這一步有兩個原因
   // 1是隊列未初始化，2是尾結點插入失敗
   enq(node);
   return node;
}

下面是enq方法，當執(zhí)行到這個方法時，說明線程獲取鎖已經失敗了，然后入隊過程又失敗了，入隊過程失敗有兩個原因：

1. 同步隊列未初始化
2. 入隊過程中CAS操作失敗

private Node enq(final Node node) {
   for (;;) {
       Node t = tail;
       // 隊列為空, 初始化隊列操作，即將head和tail指向一個空節(jié)點
       if (t == null) { 
           if (compareAndSetHead(new Node()))
               tail = head;
       } else {  // 隊列不為空
           // 并發(fā)下，cas操作可能會失敗，所以通過for循環(huán)不斷進行入隊，直到成功為止
           node.prev = t;
           if (compareAndSetTail(t, node)) {
               t.next = node;
               return t;
           }
       }
   }
}

CAS節(jié)點入隊失敗的原因，我們看到enq源碼中執(zhí)行完尾插法的步驟一，即將Node的前驅指針指向當前尾結點，如果是并發(fā)情況下，應該是如下圖所示（紫色節(jié)點代表我們關注的Node）：

此時，可能有多個Node都準備入隊，所以此時可能有多個Node的前驅節(jié)點都指向尾結點，所以我們在執(zhí)行步驟二將尾結點指向Node時，采用的是CAS，即只有一個Node能成功，假設我們關注的Node入隊成功了，如下圖：

則另外兩個CAS操作肯定會失敗，即它們將要進入enq方法重新自旋入隊。

1.3 acquireQueued

執(zhí)行完addWaiter方法后，說明我們已經入隊成功了，此時我們需要將Node中的線程掛起，等待下次被喚醒。

但在掛起之前，我們需要再次檢查下我們此時的Node是否是在隊首，如果在隊首，我們又會再次去搶鎖。否則我們會通過shouldParkAfterFailedAcquire判斷是否要掛起（shouldParkAfterFailedAcquire不僅僅是判斷此線程是否可以被掛起，還會將同步隊列中屬性為CANCELLED的Node移除隊列），如果需要掛起，則調用parkAndCheckInterrupt將線程掛起。具體源碼如下：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
   // 獲取失敗標簽，默認ture，如果獲取到鎖了后則會置為false
   boolean failed = true;
   try {
       // 中斷標簽，默認false
       boolean interrupted = false;
       for (;;) {
           // 獲取此節(jié)點的前驅節(jié)點
           final Node p = node.predecessor();
           // 如果前驅節(jié)點是頭結點,則會再次調用tryAcquire搶鎖
           // 如果搶鎖成功了，則進入if語句，然后return
           if (p == head && tryAcquire(arg)) {
               // 將此節(jié)點設置為頭結點
               setHead(node);
               p.next = null; // help GC
               // 獲取失敗標志置為false,因為拿到鎖了
               failed = false;
               // 返回中斷標志
               return interrupted;
           }
           //  shouldParkAfterFailedAcquire判斷是否要掛起
           //  如果要掛起，則調用parkAndCheckInterrupt將線程掛起
           if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
               parkAndCheckInterrupt())
               interrupted = true;
       }
   } finally {
       if (failed)
           cancelAcquire(node);
   }
}

shouldParkAfterFailedAcquire源碼如下。其主要作用有2：

1. 決定獲取鎖失敗后，是否將線程掛起
2. 清除同步隊列中所有狀態(tài)為CANCELLED的節(jié)點

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
   int ws = pred.waitStatus;
   // 如果此節(jié)點的前驅節(jié)點為SIGNAL,則說明此節(jié)點需要掛起，返回true
   if (ws == Node.SIGNAL)
       return true;
   // 如果此節(jié)點的前驅節(jié)點狀態(tài)大于0，即狀態(tài)為CANCELLED則移除前驅節(jié)點，然后再往前遍歷，直到清除完所有CANCELLED的節(jié)點
   if (ws > 0) {
       do {
           node.prev = pred = pred.prev;
       } while (pred.waitStatus > 0);
       pred.next = node;
   } else {
       // 將前驅節(jié)點置為SIGNAL
       compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
   }
   return false;
}

這是acquireQueued中的最后一步，即將線程掛起，然后靜靜的等待被喚醒。除非該線程被其他線程unpark或者被中斷，否則該線程的程序將一直停止在這。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
   // 通過LockSupport掛起線程
   LockSupport.park(this);
   // 返回線程的標志位，true表示此線程被中斷過
   return Thread.interrupted();
}

1.4 selfInterrupt

通過我們前面的分析可以知道，當線程被中斷過，則會進入到此方法。

而interrupte這個方法也只是將當前線程的中斷標志置為true，至于會不會被中斷，這個是由系統(tǒng)決定的。

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

二. 獨占鎖的的釋放

相比獨占鎖的獲取，獨占鎖的釋放邏輯就簡單多了。獨占鎖釋放只做了兩件事情：

1. 釋放鎖
2. 喚醒head結點后最近需要被喚醒的節(jié)點。

其釋放邏輯的實現(xiàn)是通過release方法，而做的兩件事分別對應了其子方法tryRelease和unparkSuccessor：

public final boolean release(int arg) {
    // 如果釋放鎖成功，則進入if去喚醒同步隊列中的線程
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        // head節(jié)點不為空(即同步隊列不為空) 且 狀態(tài)不為0(初始化隊列時，head結點waitStatus為0，此時等待隊列中是沒有節(jié)點的)
        // 則喚醒head結點后繼節(jié)點
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            // 喚醒離head最近需要被喚醒的節(jié)點
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

2.1 tryRelease

這個方法和tryAcquire一樣，也是鉤子方法，是留給子類重寫的，作用是用來釋放鎖，如果釋放成功則返回true，失敗返回false，這個具體的實現(xiàn)我們也放在后續(xù)AQS的子類中講解，這里就不過多闡述了。

2.2 unparkSuccessor

此方法的作用是喚醒后繼Node，我們看代碼：

private void unparkSuccessor(Node node) {
 
    int ws = node.waitStatus;
    // waitStatus< 0，說明此時waitStatus為SIGNAL
    if (ws < 0)
       // 此時需要將waitStatus置為0，待會喚醒后繼節(jié)點
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
   
    Node s = node.next;
    // 此Node的后繼節(jié)點如果是null或者狀態(tài)為CANCELLED，則此Node已經不存在或者取消
    // 則我們需要從尾結點往前遍歷找到離head最近的需要被喚醒的Node
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        // 喚醒Node中的線程
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

這里需要注意的是，我們在找需要被喚醒的節(jié)點時，為什么是從后往前遍歷呢？

其實這和獲取鎖時的尾結點入隊有關，我們再看下入隊方法addWaiter中插入尾結點的相關代碼：

node.prev = pred;   //step1
if (compareAndSetTail(pred, node))   // step2
     pred.next = node;  // step3

假設我們此時有個Node正在入隊，執(zhí)行完step2，還未執(zhí)行step3，unparkSuccessor中如果采用從head往后遍歷，是找不到這個新插入的Node的；但如果是采用從后往前遍歷，則不會出現(xiàn)這個問題。

三. 總結

對于獨占鎖的獲取與釋放，就分析完了，這里我再總結一下：

獲取獨占鎖是通過acquire來實現(xiàn)的，首先通過tryAcquire獲取鎖，如果獲取成功，則直接返回，如果失敗，則會調用addWaiter方法進行入隊，如果入隊過程中發(fā)現(xiàn)隊列未初始化，則會初始化隊列再進行入隊，入隊不成功則會一直自旋直到成功；入隊成功后就會掛起，直到被其他線程或者中斷喚醒；喚醒后會檢查線程的中斷標志位，如果被中斷過，會再次調用中斷方法，告訴系統(tǒng)自己需要被中斷。

釋放獨占鎖是通過release方法實現(xiàn)的，其首先通過tryRelease釋放鎖，如果失敗則直接返回false，如果成功則會調用unparkSuccessor喚醒后繼節(jié)點。