深入并发AQS二

ＡＱＳ需要解决以下几个问题：
1.锁状态，如何保证并发情况下能够安全的更新?
2.当前线程不能获取锁时，放在哪里?　ＡＱＳ是放在一个队列当中

3.如何提高效率?

ＡＱＳ的主要职责是当获取不到锁时，将线程放入ＣＬＨ队列（一种变体）。并且当有线程释放当前拥有的锁时，找出header结点下一个结点（代表一个阻塞线程），并
将它唤醒。

由于ＡＱＳ放等待阻塞线程的队列用的是ＣＬＨ变体队列，先大致了解下队列。

ＡＱＳ的队列有一个header结点，这里ＡＱＳ只有在第一次有线程尝试获取锁但获取不到时，它才会进行创建。

队列中的每个结点代表了一个等待锁的线程，用一个Node进行封装。

Node中有一个next指针批向下一结点，这个next指针主要用于之后唤醒后面线程结点。

一个prev指向指向上一结点。

Node结点有一个waitStatus状态，有signal，cancelled，CONDITION，PROPAGATE，0(初始状态)。

其中主要关注signal状态，这个状态用于暗示当前设置了waitStatus为signal的结点线程，告诉它在释放锁时记得唤醒它后面的结点。

prev指针的作用则是用于获取前结点，这里包括设置前结点的waitStatus。

注：当第一次有线程获取不到锁时，要入队列时，会创建一个虚拟结点，header会指向这个结点，然后tail指向这个要获取锁的线程结点A。

之后，只有header后一个结点，也就是刚刚入队的等待锁的线程结点A可以尝试获取锁。获取到锁后，将header结点指向这个等待锁结点A，释放之前虚拟结点。

拥有锁的线程Ａ，之后调用unlock释放锁，释放锁会将state减1。当state减到0时，会唤醒header（即A结点）后一个等待锁线程结点。

除了第一次获取锁时，header是指向虚拟结点，之后在线程获取到锁后，header线程指向这个获取到锁的线程结点。

所有可以获取锁的线程结点条件为：header结点的下一个结点。

ＡＱＳ的设计围绕着在适度的情况尽量不让线程挂起，进行ＣＡＳ获取锁。

AQS本身有两个核心实现方法acquire及：
public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
}

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
        unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

AQS获取锁与释放锁调用的是acquire与release方法。

acquire方法的职责是：
　如果当前线程不能获取到锁，则将其封装成一个Node放入队列当中，并决定何时将当前线程真正阻塞。
　否则获取到锁时，直接返回。

release的职责是：
  尝试释放锁（如果当前线程没有拥有对象锁，不能进行后续操作，即只有拥有锁的线程才能对锁进行release），
成功，则从队列中找出header下一个结点（存储了阻塞了的线程），调用LockSupport的unpark方法将它唤醒。

aquire及release中的tryAcquire与tryRelease方法交由子类去完成，子类在获取锁及释放锁时增加一些特性，如进行公平锁与非公平锁，超时等特性。

这里所有的阻塞与唤醒操作使用LockSupport的 park(Object blocker)及unpark(Thread thread)方法。

AQS定义了四个方法供子类个性化实现如果可中断，定时获取锁的形式,如下：

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

ReentrantLock就是用ＡＱＳ作为基础框架，内部使用Sync，这个类继承了ＡＱＳ。

ReentrantLock类结构如下：

可以看到ReentrantLock有一个sync实例，然后拥有lock，lockINterruptibly等方法。

事实上lock这些方法是给客户调用的，但最终ReentrantLock会将相应的调用交由sync相应方法去处理。

ReentrantLock使用sync，相当于策略模式一样。ReentrantLock为了支持非公平及公平锁，因此在内部同时创建了两个sync的子类，分别对应于公平锁与非公平锁实现。

Sync继承图：

接下去看下一个线程请求一个ReentrantLock锁时发生的大致流程：

可以看到线程想要获取锁，在操作１时，这里具体的获取操作是：
　查看当前锁state是否为０（说明当前锁未被占有），不是则说明已被其它线程获取，进入can not分支。
　如果当前锁state为0，则尝试用cas操作将锁的state改为１。cas成功后再将exclusiveOwnerThread改为当前线程。

ReentrantLock的Sync类的lock代码如下：
  

final void lock() {            if (compareAndSetState(0, 1))                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());            else    acquire(1);}

这里如果当前线程不能立即获取锁时用调用AQS的acquire方法。

先看下AQS的acquire方法，代码如下：

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

acquirey方法做了以下几件事情：

   调用tryAcquire（子类ReentrantLock去实现）尝试获取锁，如果获取到则退出acquire方法。

　如果tryAcquire获取不到锁，这时先通过addWaiter方法将当前线程封装成一个CLH的Node放入CLH队列。并且调用acquireQueued方法决定何时将当前线程阻塞。

接下去分别对acquire方法中的tryAcquire，addWaiter及acquireQueued进行分析。

tryAcquire是ＡＱＳ提供给子类用于实现自己个性化的获取锁机制。

ReentrantLock中分别有公平锁(FairSync)及非公平锁(NonFairSync)实现。

这里看非公平锁ＮonFairSync的实现，代码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            return nonfairTryAcquire(acquires);        }

可以看到这里最后调用的是nonFairTryAcquire方法，它的实现在Sync类主体上，代码如下：

/**         * Performs non-fair tryLock.  tryAcquire is         * implemented in subclasses, but both need nonfair         * try for trylock method.         */        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {            final Thread current = Thread.currentThread();            int c = getState();            if (c == 0) {                if (compareAndSetState(0, acquires)) {                    setExclusiveOwnerThread(current);                    return true;                }            }            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {                int nextc = c + acquires;                if (nextc < 0) // overflow                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");                setState(nextc);                return true;            }            return false;        }

nonFairTryAcquire的之所以是非公平的，是因为任何线程进入这个方法获取锁时都有机会先获取锁，而不管在ＣＬＨ队列中阻塞（或在进行ＣＡＳ操作）的线程。

这里会先判断：

　　如果当前锁对象state为0进入if(c==0)分支，这里马上尝试ＣＡＳ操作试图将state状态改为被锁状态。如果成功继续将锁对象上的exclusiveOwnerThread改为当前线程。如果不能ＣＡＳ成功这里就返回false，表明不能获取到锁。

　　如果当前锁对象state不为０，进入else if分支，这时根据锁对象上的exclusiveOwnerThread来判断是否是当前线程拥有了这个锁对象，如果是则将锁占有次数（放在state状态上）加１，并且返回true。

在nonFairTryAcquire方法执行完后，返回到ＡＱＳ的acquire方法：

if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();

这里如果tryAcquire(arg)返回的是true则表明当前线程已经获取到锁直接返回，否则进行 &&后面的操作。这里会先执行addWaiter方法，这个方法会先当前线程放入到队列。

代码如下：

/**     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.     *     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared     * @return the new node     */    private Node addWaiter(Node mode) {        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure        Node pred = tail;        if (pred != null) {            node.prev = pred;            if (compareAndSetTail(pred, node)) {                pred.next = node;                return node;            }        }        enq(node);        return node;    }

可以看到先将当前线程封装成一个Node对象，然后尝试将新结点放入到队尾，这里会判断队尾是否存在.

如果存在，则尝试将它放入队尾。
不存在调用enque方法，创建一个新的header结点使header指针指向这个header结点。tail指针指向这个当前线程结点。

代码如下：

private Node enq(final Node node) {        for (;;) {            Node t = tail;            if (t == null) { // Must initialize                if (compareAndSetHead(new Node()))                    tail = head;            } else {                node.prev = t;                if (compareAndSetTail(t, node)) {                    t.next = node;                    return t;                }            }        }    }

可以看到这个方法最终是创建一个header结点,将header指针指向了header结点，并将header结点的next指针指向当前线程结点。而tail指针指向这个当前线程结点。
如图：

然后返回到acquire方法:
if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();

执行acquireQueued方法，这个方法会观察当前在队列中的结点的上一结点看它的状态waitState是否为signal，如果不是则进行一次ＣＡＳ尝试获取锁，还是不成功的情况下则调用LookSurport的park方法阻塞该线程。
代码如下：

  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {        boolean failed = true;        try {            boolean interrupted = false;            for (;;) {                final Node p = node.predecessor();                if (p == head && tryAcquire(arg)) {                    setHead(node);                    p.next = null; // help GC                    failed = false;                    return interrupted;                }                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    interrupted = true;            }        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);        }    }

可以看到对于这部分来讲，只有头结点后面的一个结点线程才有机会用ＣＡＳ获取锁。即执行if (p == head && tryAcquire(arg)) 。
这里如果当前结点线程不是头结点下一结点或者说ＣＡＳ获取锁还是失败，则进入shouldParkAfterFailedAcquire方法，看是否该返回true表明该阻塞该线程了。
则进入shouldParkAfterFailedAcquire方法代码如下：

 private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {        int ws = pred.waitStatus;        if (ws == Node.SIGNAL)            /*             * This node has already set status asking a release             * to signal it, so it can safely park.             */            return true;        if (ws > 0) {            /*             * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and             * indicate retry.             */            do {                node.prev = pred = pred.prev;            } while (pred.waitStatus > 0);            pred.next = node;        } else {            /*             * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we             * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to             * retry to make sure it cannot acquire before parking.             */            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);        }        return false;    }

可以看到这里如果当前线程结点上一结点的waitStatus不为signal或者大于１时（表明CANCELLED），这时会先设置前一结点的waitStatus为signal。
然后返回false表明先不阻塞当前线程，返回acquireQueued方法会再走一次for循环。
第二次走acquireQueued的for循环时，发现还是不能获取锁，这时shouldParkAfterFailedAcquire会返回true，然后回到acquireQueued方法就调用parkAndCheckInterrupt方法真正阻塞线程了。

这样完成了线程获取锁的整个流程解析。接下去需要解析释放锁这部分逻辑，相对于线程获取锁简单一点。