万字长文16张图解开AbstractQueuedSynchronizer

　　前言
　　Java并发编程系列AbstractQueuedSynchronizer，文章风格依然是图文并茂，通俗易懂，本文带读者们深入理解AbstractQueuedSynchronizer设计思想。内容大纲
　　基础
　　AbstractQueuedSynchronizer抽象同步队列简称A Q S，它是实现同步器的基础组件，如常用的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。
　　A Q S定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作，虽然大多数开发者可能永远不会使用A Q S实现自己的同步器（J U C包下提供的同步器基本足够应对日常开发），但是知道A Q S的原理对于架构设计还是很有帮助的，面试还可以吹吹牛，下面是A Q S的组成结构。
　　三部分组成，state同步状态、Node组成的CLH队列、ConditionObject条件变量（包含Node组成的条件单向队列），下面会分别对这三部分做介绍。
　　先贴下AbstractQueuedSynchronizer提供的核心函数，混个脸熟就够了，后面会讲解
　　状态getState()：返回同步状态setState(int newState)：设置同步状态compareAndSetState(int expect, int update)：使用C A S设置同步状态isHeldExclusively()：当前线程是否持有资源
　　独占资源（不响应线程中断）tryAcquire(int arg)：独占式获取资源，子类实现acquire(int arg)：独占式获取资源模板tryRelease(int arg)：独占式释放资源，子类实现release(int arg)：独占式释放资源模板
　　共享资源（不响应线程中断）tryAcquireShared(int arg)：共享式获取资源，返回值大于等于0则表示获取成功，否则获取失败，子类实现acquireShared(int arg)：共享形获取资源模板tryReleaseShared(int arg)：共享式释放资源，子类实现releaseShared(int arg)：共享式释放资源模板
　　这里补充下，获取独占、共享资源操作还提供超时与响应中断的扩展函数，有兴趣的读者可以去AbstractQueuedSynchronizer源码了解。同步状态
　　在A Q S中维护了一个同步状态变量state，getState函数获取同步状态，setState、compareAndSetState函数修改同步状态，对于A Q S来说，线程同步的关键是对state的操作，可以说获取、释放资源是否成功都是由state决定的，比如state>0代表可获取资源，否则无法获取，所以state的具体语义由实现者去定义，现有的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch定义的state语义都不一样。ReentrantLock的state用来表示是否有锁资源ReentrantReadWriteLock的state高16位代表读锁状态，低16位代表写锁状态Semaphore的state用来表示可用信号的个数CountDownLatch的state用来表示计数器的值CLH队列
　　CLH是A Q S内部维护的FIFO（先进先出）双端双向队列（方便尾部节点插入），基于链表数据结构，当一个线程竞争资源失败，就会将等待资源的线程封装成一个Node节点，通过C A S原子操作插入队列尾部，最终不同的Node节点连接组成了一个CLH队列，所以说A Q S通过CLH队列管理竞争资源的线程，个人总结CLH队列具有如下几个优点：先进先出保证了公平性非阻塞的队列，通过自旋锁和C A S保证节点插入和移除的原子性，实现无锁快速插入采用了自旋锁思想，所以CLH也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁Node内部类
　　Node是A Q S的内部类，每个等待资源的线程都会封装成Node节点组成C L H队列、等待队列，所以说Node是非常重要的部分，理解它是理解A Q S的第一步。
　　列Node类中的变量都很好理解，只有waitStatus、nextWaiter没有细说，下面做个补充说明
　　waitStatus等待状态如下
　　nextWaiter特殊标记Node在CLH队列时，nextWaiter表示共享式或独占式标记Node在条件队列时，nextWaiter表示下个Node节点指针流程概述
　　线程获取资源失败，封装成Node节点从C L H队列尾部入队并阻塞线程，某线程释放资源时会把C L H队列首部Node节点关联的线程唤醒（此处的首部是指第二个节点，后面会细说），再次获取资源。
　　入队
　　获取资源失败的线程需要封装成Node节点，接着尾部入队，在A Q S中提供addWaiter函数完成Node节点的创建与入队。     /**      * @author: 程序猿阿星      * @description:  Node节点入队-CLH队列      * @param mode 标记  Node.EXCLUSIVE独占式 or Node.SHARED共享式      */     private Node addWaiter(Node mode) {         //根据当前线程创建节点，等待状态为0         Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);         // 获取尾节点         Node pred = tail;         if (pred != null) {             //如果尾节点不等于null，把当前节点的前驱节点指向尾节点             node.prev = pred;             //通过cas把尾节点指向当前节点             if (compareAndSetTail(pred, node)) {                 //之前尾节点的下个节点指向当前节点                 pred.next = node;                 return node;             }         }         //如果添加失败或队列不存在，执行end函数         enq(node);         return node;     }
　　添加节点的时候，如果从C L H队列已经存在，通过C A S快速将当前节点添加到队列尾部，如果添加失败或队列不存在，则指向enq函数自旋入队。     /**      * @author: 程序猿阿星      * @description: 自旋cas入队      * @param node 节点      */     private Node enq(final Node node) {         for (;;) { //循环             //获取尾节点             Node t = tail;             if (t == null) {                 //如果尾节点为空，创建哨兵节点，通过cas把头节点指向哨兵节点                 if (compareAndSetHead(new Node()))                     //cas成功，尾节点指向哨兵节点                     tail = head;             } else {                 //当前节点的前驱节点设指向之前尾节点                 node.prev = t;                 //cas设置把尾节点指向当前节点                 if (compareAndSetTail(t, node)) {                     //cas成功，之前尾节点的下个节点指向当前节点                     t.next = node;                     return t;                 }             }         }     }
　　通过自旋C A S尝试往队列尾部插入节点，直到成功，自旋过程如果发现C L H队列不存在时会初始化C L H队列，入队过程流程如下图
　　第一次循环刚开始C L H队列不存在，head与tail都指向null要初始化C L H队列，会创建一个哨兵节点，head与tail都指向哨兵节点
　　第二次循环 3. 当前线程节点的前驱节点指向尾部节点（哨兵节点） 4. 设置当前线程节点为尾部，tail指向当前线程节点 5. 前尾部节点的后驱节点指向当前线程节点（当前尾部节点）
　　最后结合addWaiter与enq函数的入队流程图如下
　　出队
　　C L H队列中的节点都是获取资源失败的线程节点，当持有资源的线程释放资源时，会将head.next指向的线程节点唤醒（C L H队列的第二个节点），如果唤醒的线程节点获取资源成功，线程节点清空信息设置为头部节点（新哨兵节点），原头部节点出队（原哨兵节点）
　　acquireQueued函数中的部分代码 //1.获取前驱节点 final Node p = node.predecessor(); //如果前驱节点是首节点，获取资源（子类实现） if (p == head && tryAcquire(arg)) {     //2.获取资源成功，设置当前节点为头节点，清空当前节点的信息，把当前节点变成哨兵节点     setHead(node);     //3.原来首节点下个节点指向为null     p.next = null; // help GC     //4.非异常状态，防止指向finally逻辑     failed = false;     //5.返回线程中断状态     return interrupted; }  private void setHead(Node node) {     //节点设置为头部     head = node;     //清空线程     node.thread = null;     //清空前驱节点     node.prev = null; }
　　只需要关注1~3步骤即可，过程非常简单，假设获取资源成功，更换头部节点，并把头部节点的信息清除变成哨兵节点，注意这个过程是不需要使用C A S来保证，因为只有一个线程能够成功获取到资源。
　　条件变量
　　Object的wait、notify函数是配合Synchronized锁实现线程间同步协作的功能，A Q S的ConditionObject条件变量也提供这样的功能，通过ConditionObject的await和signal两类函数完成。
　　不同于Synchronized锁，一个A Q S可以对应多个条件变量，而Synchronized只有一个。
　　如上图所示，ConditionObject内部维护着一个单向条件队列，不同于C H L队列，条件队列只入队执行await的线程节点，并且加入条件队列的节点，不能在C H L队列， 条件队列出队的节点，会入队到C H L队列。
　　当某个线程执行了ConditionObject的await函数，阻塞当前线程，线程会被封装成Node节点添加到条件队列的末端，其他线程执行ConditionObject的signal函数，会将条件队列头部线程节点转移到C H L队列参与竞争资源，具体流程如下图
　　最后补充下，条件队列Node类是使用nextWaiter变量指向下个节点，并且因为是单向队列，所以prev与next变量都是null进阶
　　A Q S采用了模板方法设计模式，提供了两类模板，一类是独占式模板，另一类是共享形模式，对应的模板函数如下独占式 acquire获取资源 release释放资源共享式 acquireShared获取资源 releaseShared释放资源独占式获取资源
　　acquire是个模板函数，模板流程就是线程获取共享资源，如果获取资源成功，线程直接返回，否则进入CLH队列，直到获取资源成功为止，且整个过程忽略中断的影响，acquire函数代码如下
　　执行tryAcquire函数，tryAcquire是由子类实现，代表获取资源是否成功，如果资源获取失败，执行下面的逻辑执行addWaiter函数（前面已经介绍过），根据当前线程创建出独占式节点，并入队CLH队列执行acquireQueued函数，自旋阻塞等待获取资源如果acquireQueued函数中获取资源成功，根据线程是否被中断状态，来决定执行线程中断逻辑
　　acquire函数的大致流程都清楚了，下面来分析下acquireQueued函数，线程封装成节点后，是如何自旋阻塞等待获取资源的，代码如下    /**      * @author: 程序猿阿星      * @description: 自旋机制等待获取资源      * @param node      * @param arg      * @return: boolean      */     final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {         //异常状态，默认是         boolean failed = true;         try {             //该线程是否中断过，默认否             boolean interrupted = false;             for (;;) {//自旋                 //获取前驱节点                 final Node p = node.predecessor();                 //如果前驱节点是首节点，获取资源（子类实现）                 if (p == head && tryAcquire(arg)) {                     //获取资源成功，设置当前节点为头节点，清空当前节点的信息，把当前节点变成哨兵节点                     setHead(node);                     //原来首节点下个节点指向为null                     p.next = null; // help GC                     //非异常状态，防止指向finally逻辑                     failed = false;                     //返回线程中断状态                     return interrupted;                 }                 /**                  * 如果前驱节点不是首节点，先执行shouldParkAfterFailedAcquire函数，shouldParkAfterFailedAcquire做了三件事                  * 1.如果前驱节点的等待状态是SIGNAL，返回true，执行parkAndCheckInterrupt函数，返回false                  * 2.如果前驱节点的等大状态是CANCELLED，把CANCELLED节点全部移出队列（条件节点）                  * 3.以上两者都不符合，更新前驱节点的等待状态为SIGNAL，返回false                  */                 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                     //使用LockSupport类的静态方法park挂起当前线程，直到被唤醒，唤醒后检查当前线程是否被中断，返回该线程中断状态并重置中断状态                     parkAndCheckInterrupt())                     //该线程被中断过                     interrupted = true;                 }             } finally {                 // 尝试获取资源失败并执行异常，取消请求，将当前节点从队列中移除                 if (failed)                     cancelAcquire(node);             }     }
　　一图胜千言，核心流程图如下
　　独占式释放资源
　　有获取资源，自然就少不了释放资源，A Q S中提供了release模板函数来释放资源，模板流程就是线程释放资源成功，唤醒CLH队列的第二个线程节点（首节点的下个节点），代码如下    /**      * @author: 程序猿阿星      * @description: 独占式-释放资源模板函数      * @param arg      * @return: boolean      */     public final boolean release(int arg) {          if (tryRelease(arg)) {//释放资源成功，tryRelease子类实现             //获取头部线程节点             Node h = head;             if (h != null && h.waitStatus != 0) //头部线程节点不为null，并且等待状态不为0                 //唤醒CHL队列第二个线程节点                 unparkSuccessor(h);             return true;         }         return false;     }               private void unparkSuccessor(Node node) {         //获取节点等待状态         int ws = node.waitStatus;         if (ws < 0)             //cas更新节点状态为0             compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);              //获取下个线程节点                 Node s = node.next;         if (s == null || s.waitStatus > 0) { //如果下个节点信息异常，从尾节点循环向前获取到正常的节点为止，正常情况不会执行             s = null;             for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)                 if (t.waitStatus <= 0)                     s = t;         }         if (s != null)             //唤醒线程节点             LockSupport.unpark(s.thread);         }     }
　　release逻辑非常简单，流程图如下
　　共享式获取资源
　　acquireShared是个模板函数，模板流程就是线程获取共享资源，如果获取到资源，线程直接返回，否则进入CLH队列，直到获取到资源为止，且整个过程忽略中断的影响，acquireShared函数代码如下    /**      * @author: 程序猿阿星      * @description: 共享式-获取资源模板函数      * @param arg      * @return: void      */     public final void acquireShared(int arg) {         /**          * 1.负数表示失败          * 2.0表示成功，但没有剩余可用资源          * 3.正数表示成功且有剩余资源          */         if (tryAcquireShared(arg) < 0) //获取资源失败，tryAcquireShared子类实现             //自旋阻塞等待获取资源             doAcquireShared(arg);     }
　　doAcquireShared函数与独占式的acquireQueued函数逻辑基本一致，唯一的区别就是下图红框部分
　　节点的标记是共享式获取资源成功，还会唤醒后续资源，因为资源数可能>0，代表还有资源可获取，所以需要做后续线程节点的唤醒共享式释放资源
　　A Q S中提供了releaseShared模板函数来释放资源，模板流程就是线程释放资源成功，唤醒CHL队列的第二个线程节点（首节点的下个节点），代码如下    /**      * @author: 程序猿阿星      * @description: 共享式-释放资源模板函数      * @param arg      * @return: boolean      */     public final boolean releaseShared(int arg) {         if (tryReleaseShared(arg)) {//释放资源成功，tryReleaseShared子类实现             //唤醒后继节点             doReleaseShared();             return true;         }         return false;     }          private void doReleaseShared() {         for (;;) {             //获取头节点             Node h = head;             if (h != null && h != tail) {                 int ws = h.waitStatus;                      if (ws == Node.SIGNAL) {//如果头节点等待状态为SIGNAL                     if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))//更新头节点等待状态为0                         continue;            // loop to recheck cases                     //唤醒头节点下个线程节点                     unparkSuccessor(h);                 }                 //如果后继节点暂时不需要被唤醒，更新头节点等待状态为PROPAGATE                 else if (ws == 0 &&                          !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))                     continue;                            }             if (h == head)                               break;         }     }
　　与独占式释放资源区别不大，都是唤醒头节点的下个节点，就不做过多描述了。实战
　　说了这么多理论，现在到实战环节了，正如前文所述，A Q S定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作，现在我们基于A Q S实现一个不可重入的独占锁，直接使用A Q S提供的独占式模板，只需明确state的语义与实现tryAcquire与tryRelease函数（获取资源与释放资源），在这里state为0表示锁没有被线程持有，state为1表示锁已经被某个线程持有，由于是不可重入锁，所以不需要记录持有锁线程的获取锁次数。
　　不可重入的独占锁代码如下/**  * @Author 程序猿阿星  * @Description 不可重入的独占锁  */ public class NonReentrantLock implements Lock {       /**      * @Author 程序猿阿星      * @Description 自定义同步器      */     private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {          /**          * 锁是否被线程持有          */         @Override         protected boolean isHeldExclusively() {             //0：未持有 1：已持有             return super.getState() == 1;         }          /**          * 获取锁          */         @Override         protected boolean tryAcquire(int arg) {             if (arg != 1) {                 //获取锁操作，是需要把state更新为1，所以arg必须是1                 throw new RuntimeException(＂arg not is 1＂);             }             if (compareAndSetState(0, arg)) {//cas 更新state为1成功，代表获取锁成功                 //设置持有锁线程                 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                 return true;             }             return false;         }          /**          * 释放锁          */         @Override         protected boolean tryRelease(int arg) {             if (arg != 0) {                 //释放锁操作，是需要把state更新为0，所以arg必须是0                 throw new RuntimeException(＂arg not is 0＂);             }             //清空持有锁线程             setExclusiveOwnerThread(null);             //设置state状态为0，此处不用cas，因为只有获取锁成功的线程才会执行该函数，不需要考虑线程安全问题             setState(arg);             return true;         }          /**          * 提供创建条件变量入口          */         public ConditionObject createConditionObject() {             return new ConditionObject();         }      }      private final Sync sync = new Sync();      /**      * 获取锁      */     @Override     public void lock() {         //Aqs独占式-获取资源模板函数         sync.acquire(1);     }              /**      * 获取锁-响应中断      */     @Override     public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {         //Aqs独占式-获取资源模板函数(响应线程中断)         sync.acquireInterruptibly(1);     }      /**      * 获取锁是否成功-不阻塞      */     @Override     public boolean tryLock() {         //子类实现         return sync.tryAcquire(1);     }          /**      * 获取锁-超时机制      */     @Override     public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {         //Aqs独占式-获取资源模板函数(超时机制)         return sync.tryAcquireNanos(1,unit.toNanos(time));     }          /**      * 释放锁      */     @Override     public void unlock() {         //Aqs独占式-释放资源模板函数         sync.release(0);     }          /**      * 创建条件变量      */     @Override     public Condition newCondition() {         return sync.createConditionObject();     } }
　　NonReentrantLock定义了一个内部类Sync，Sync用来实现具体的锁操作，它继承了A Q S，因为使用的是独占式模板，所以重写tryAcquire与tryRelease函数，另外提供了一个创建条件变量的入口，下面使用自定义的独占锁来同步两个线程对j++。    private static int j = 0;      public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {         NonReentrantLock  nonReentrantLock = new NonReentrantLock();          Runnable runnable = () -> {             //获取锁             nonReentrantLock.lock();             for (int i = 0; i < 100000; i++) {                 j++;             }             //释放锁             nonReentrantLock.unlock();         };          Thread thread = new Thread(runnable);         Thread threadTwo = new Thread(runnable);          thread.start();         threadTwo.start();          thread.join();         threadTwo.join();          System.out.println(j);     }        无论执行多少次输出内容都是： 200000AQS简化流程图
　　作者：程序猿阿星
　　链接：https://juejin.cn/post/6951614189701955620