AbstractQueuedSynchronizer源码解析（下）

AbstractQueuedSynchronizer源码解析（下）

2024-12-27 05:36

Kafka高级篇知识点

44个Kafka知识点（基础+进阶+高级）解析如下

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共享式获取同步状态：acquireShared(), doAcquireShared(), setHeadAndPropagate()；
共享式释放同步状态：releaseShared(), doReleaseShared()；

这个图总结了 AQS 整体架构的组成，和部分场景的动态流向，图中两个点说明一下，方便大家观看。

AQS 中队列只有两个：同步队列 + 条件队列，底层数据结构两者都是链表（在上一篇我们已经介绍过了）；
图中有四种颜色的线代表四种不同的场景，1、2、3 序号代表看的顺序。

AQS 本身就是一套锁的框架，它定义了获得锁和释放锁的代码结构，所以如果要新建锁，只要继承 AQS，并实现相应方法即可。

一、获取锁

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1.1 acquire排他锁

获取锁最直观的感受就是使用 Lock.lock () 方法来获得锁，最终目的是想让线程获得对资源的访问权。

Lock 一般是 AQS 的子类，lock 方法根据情况一般会选择调用 AQS 的 acquire 或 tryAcquire 方法。

acquire 方法 AQS 已经实现了，tryAcquire 方法是等待子类去实现。

acquire 方法制定了获取锁的框架，先尝试使用 tryAcquire 方法获取锁，获取不到时，再入同步队列中等待锁。tryAcquire 方法 AQS 中直接抛出一个异常，表明需要子类去实现，子类可以根据同步器的 state 状态来决定是否能够获得锁，接下来我们详细看下 acquire 的源码解析。

acquire 也分两种，一种是排它锁，一种是共享锁，我们一一来看下：

// 排他模式下，尝试获得锁

public final void acquire(int arg) {

// tryAcquire方法需要实现类去实现

// 实现思路一般都是 cas 给 state 赋值来决定是否能获得锁

if (!tryAcquire(arg) &&

// acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

// 注意：上面这行代码是两个方法addWaiter和acquireQueued，这两个方法在下面我们会细说

// addWaiter入参代表是排他模式

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

selfInterrupt();

}

以上代码的主要步骤是（流程见整体架构图中红色场景）：

尝试执行一次 tryAcquire，如果成功直接返回，失败走 2；
线程尝试进入同步队列，首先调用 addWaiter 方法，把当前线程放到同步队列的队尾；
接着调用 acquireQueued 方法，两个作用，第一个作用是阻塞当前节点，第二个作用是节点被唤醒时，使其能够获得锁；
如果 2、3 失败了，打断线程。

1.1.2 addWaiter

接下来我们先来看下 addWaiter 的源码实现：

方法的主要目的：node追加到同步队列的队尾；

// 方法传入的参数 mode 表示当前线程的节点

// return node 表示新增的node

private Node addWaiter(Node mode) {

// 初始化node

Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

// 这里的逻辑与 enq 方法的逻辑一样，只不过 enq 增加对队尾判空的操作

// 当前节点的前置节点为tail

Node pred = tail;

if (pred != null) {

node.prev = pred;

// 以CAS的方式去设置尾节点 compareAndSetTail

if (compareAndSetTail(pred, node)) {

pred.next = node;

return node;

}

// 有可能CAS会失败，因为存在竞争，所以进入 enq 环节

// enq 自旋保证node加入队尾

enq(node);

return node;

}

// 线程加入同步队列队尾的方法

// 这里注意一下，返回值是添加 node 的前一个节点

private Node enq(final Node node) {

// 自旋，直到成功为止，或者直到放弃为止

for (;😉 {

// 得到队尾节点

Node t = tail;

// 如果队尾为空，则说明当前同步队列没有进行初始化，进行初始化

if (t == null) {

if (compareAndSetHead(new Node()))

tail = head;

// 如果队尾不为空，则将当前节点追加到队尾

} else {

node.prev = t;

// node追加到队尾

if (compareAndSetTail(t, node)) {

t.next = node;

return t;

}

总结：就是把新的节点追加到同步队列的队尾。

1.1.3 acquireQueued

下一步就是要阻塞当前线程了，是 acquireQueued 方法来实现的，即队列中的节点什么时候阻塞，什么时候唤醒由 acquireQueued 去决定，我们来看下源码实现：

这个方法主要做了两件事：

通过不断的自旋尝试使自己的前一个节点的状态变成signal状态，然后阻塞自己；
获得锁的线程执行完毕之后，释放锁时，会把阻塞的 node 唤醒，node 唤醒之后再次自旋，尝试获得锁；
返回 false 表示获得锁成功，返回 true 则表示失败

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {

boolean failed = true;

try {

boolean interrupted = false;

// 自旋

for (;😉 {

// 选择上一个节点，p 代表前置结点

final Node p = node.predecessor();

// 有两种情况会走到 p == head

// 1. node之前没有获得锁，进入 acquireQueued 方法时，才发现它的前置节点就是头节点，于是尝试获得一次锁

// 2. node之前一直在阻塞沉睡，然后被唤醒，此时唤醒 node 的节点正是其前一个节点，也能走到if

// 如果自己 tryAcquire （尝试抢锁）成功，就立刻讲自己设置成为 head，并且把上一个节点移除

// 如果自己 tryAcquire 失败，尝试进入同步队列

if (p == head && tryAcquire(arg)) {

// 获得锁，将自己设置成 head 节点

setHead(node);

// p 被回收

p.next = null;

failed = false;

return interrupted;

}

// shouldParkAfterFailedAcquire 把 node 的前一个节点设置为signal

// 只要前一个节点的状态是 signal 了，那么自己就可以阻塞了

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

// 线程是在这个方法中阻塞的，醒来的时候仍在无限 for 循环里面，就能再次自旋尝试获得锁

parkAndCheckInterrupt())

interrupted = true;

}

} finally {

// 如果获得 node 的锁失败，将 node 从队列中移除

if (failed)

cancelAcquire(node);

}

1.1.4 shouldParkAfterFailedAcquire

shouldParkAfterFailedAcquire，这个方法的主要目的就是把前一个节点的状态置为 SIGNAL，只要前一个节点的状态是 SIGNAL，当前节点就可以阻塞了。

// 当前线程可以安心阻塞的标准，就是前一个节点的线程状态是 signal 了

// 传入的参数 pred 表示前一个节点， node 表示当前节点

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {

int ws = pred.waitStatus;

// 如果前一个节点 waitStatus 状态已经是 signal 了，直接返回，不需要再自旋了

if (ws == Node.SIGNAL)

return true;

if (ws > 0) {

// 找到前一个状态不是取消的节点，因为把当前 node 挂在有效节点的身上

// 因为节点的状态是取消的话，是无效的，是不能作为 node 的前置节点的，所以必须找到 node 的有效节点才行

do {

node.prev = pred = pred.prev;

} while (pred.waitStatus > 0);

pred.next = node;

// 否则直接把节点状态设置为 signal

} else {

compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

}

return false;

}

acquire 整个过程非常长，代码也非常多，但注释很清楚，可以一行一行仔细看看代码。

1.1.5 总结

acquire 方法大致分为三步：

使用 tryAcquire 方法尝试获得锁，获得锁直接返回，获取不到锁的走 2；
把当前线程组装成节点（Node），追加到同步队列的尾部（addWaiter）；
自旋，使同步队列中当前节点的前置节点状态为 signal 后，然后阻塞自己。

1.2 acquireShared 获取共享锁

acquireShared 整体流程和 acquire 相同，代码也很相似，重复的源码就不贴了，我们就贴出来不一样的代码来，也方便大家进行比较：

第一处尝试获得锁的地方，有所不同，排它锁使用的是 tryAcquire 方法，共享锁使用的是 tryAcquireShared 方法，如下图：

第二处不同，在于节点获得排它锁时，仅仅把自己设置为同步队列的头节点即可（setHead 方法），但如果是共享锁的话，还会去唤醒自己的后续节点，一起来获得该锁（setHeadAndPropagate 方法），不同之处如下（左边排它锁，右边共享锁）：

1.2.1 setHeadAndPropagate

这个方法主要做了两件事：

把当前节点设置成头节点
看看后续节点有无正在等待，并且也是共享模式的，有的话唤醒这些节点

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {

Node h = head;

// 当前节点设置成头节点

setHead(node);

// propagate > 0 表示已经有节点获得共享锁了

if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||

(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {

Node s = node.next;

// 共享模式，还唤醒头节点的后置节点

if (s == null || s.isShared())

doReleaseShared();

}

// 释放后置共享节点

private void doReleaseShared() {

for (;😉 {

Node h = head;

// 还没有到队尾，此时队列中至少有两个节点

if (h != null && h != tail) {

int ws = h.waitStatus;

// 如果队列状态是 SIGNAL ，说明后续节点都需要唤醒

if (ws == Node.SIGNAL) {

// CAS 保证只有一个节点可以运行唤醒的操作

if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))

continue;

// 进行唤醒操作

unparkSuccessor(h);

}

else if (ws == 0 &&

!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))

continue;

}

if (h == head)

break;

}

这个就是共享锁独特的地方，当一个线程获得锁后，它就会去唤醒排在它后面的其它节点，让其它节点也能够获得锁。

二、释放锁

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释放锁的触发时机就是我们常用的 Lock.unLock () 方法，目的就是让线程释放对资源的访问权（流程见整体架构图蓝色路线）。

释放锁也是分为两类，一类是排它锁的释放，一类是共享锁的释放，我们分别来看下。

2.1 释放排它锁

排它锁的释放就比较简单了，从队头开始，找它的下一个节点，如果下一个节点是空的，就会从尾开始，一直找到状态不是取消的节点，然后释放该节点，源码如下：

2.1.1 release

public final boolean release(int arg) {

// tryRelease 交给实现类去实现，如果返回true则说明成功释放锁

if (tryRelease(arg)) {

Node h = head;

// 头节点不为空 && 非初始化状态

if (h != null && h.waitStatus != 0)

// 从头开始唤醒等待锁的节点

unparkSuccessor(h);

return true;

}

return false;

}

2.1.2 unparkSuccessor

// 当线程释放锁成功后，从 node 开始唤醒同步队列中的节点

// 通过唤醒机制，保证线程不会一直在同步队列中阻塞等待

private void unparkSuccessor(Node node) {

// node节点为当前释放锁的节点，也是同步队列的头结点

int ws = node.waitStatus;

// 如果节点已经被取消了，把节点的状态设置为初始化

if (ws < 0)

compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

// 拿出 node 节点的下一个节点

Node s = node.next;

// s 为空，表示 node 的后一个节点为空

// s.waitStatus > 0 表示s节点已经被取消了

// 遇到上面两种情况，就从队尾开始，向前遍历，找到第一个 waitStatus 字段不是被取消的节点

if (s == null || s.waitStatus > 0) {

s = null;

// 这个for循环，从尾部开始迭代

// 主要是因为节点被阻塞的时候，是在acquiredQueued方法里面被阻塞的（上面已经介绍了这个方法）

// 所以唤醒的时候也一定是在acquiredQueued方法里面被唤醒

// 唤醒的条件是，判断判断当前节点的前置节点是否为头结点，这里是判断当前节点的前置节点

// 所以这里必须从尾部开始迭代，目的就是过滤无效的前置节点，不然节点被唤醒时，发现前置节点是无效节点的话，就又会陷入阻塞

for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)

if (t.waitStatus <= 0)

s = t;

}

// 唤醒以上代码找到的线程

if (s != null)

LockSupport.unpark(s.thread);

}

2.2 释放共享锁

2.2.1 releaseShared

释放共享锁的方法是 releaseShared，主要分成两步：

tryReleaseShared 尝试释放当前共享锁，失败返回 false，成功走 2；
唤醒当前节点的后续阻塞节点，这个方法我们之前看过了，线程在获得共享锁的时候，就会去唤醒其后面的节点，方法名称为：doReleaseShared。

我们一起来看下 releaseShared 的源码：

// 共享模式下，释放当前线程的共享锁

public final boolean releaseShared(int arg) {

if (tryReleaseShared(arg)) {

// 线程在获得共享锁的时候，就会去唤醒其后面的节点

doReleaseShared();

return true;

}

return false;

}

三. 条件队列的一些重要方法

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3.1 为什么需要条件队列

Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到Condition对

象关联的锁。Condition对象是由Lock对象创建出来的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。

当调用Condition的await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待。而其他线程调用Condition对象的

signal()方法通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

因为并不是所有场景一个同步队列就可以搞定的。

在遇到锁 + 队列结合的场景时，就需要 Lock + Condition 配合才行，先使用 Lock 来决定哪些线程可以获得锁，哪些线程需要到同步队列里面排队阻塞；
获得锁的多个线程在碰到队列满或者空的时候，可以使用 Condition 来管理这些线程，让这些线程阻塞等待，然后在合适的时机后，被正常唤醒。

同步队列 + 条件队列联手使用的场景，最多被使用到锁 + 队列的场景中。所以说条件队列也是不可或缺的一环。

接下来我们来看一下条件队列一些比较重要的方法，以下方法都在 ConditionObject 内部类中。

3.2 入队列等待 await

获得锁的线程，如果在碰到队列满或空的时候，就会阻塞住，这个阻塞就是用条件队列实现的，这个动作我们叫做入条件队列，方法名称为 await，流程见整体架构图中绿色箭头流向，我们一起来看下 await 的源码：

// 线程进入条件队列

public final void await() throws InterruptedException {

if (Thread.interrupted())

throw new InterruptedException();

// 加入条件队列的队尾

Node node = addConditionWaiter();

// 加入队列后，会释放 lock 时所申请的资源，唤醒同步队列的头结点

// fullyRelease 释放资源，自己马上就要阻塞了，所以要马上释放之前 lock 的资源

// 不然自己不被唤醒的话，别的线程永远得不到该共享的资源

long savedState = fullyRelease(node);

int interruptMode = 0;

// 确认 node 不在同步队列上，在阻塞，如果node在同步队列上的话，是不能够上锁的

// 为什么这么做?

// node刚被加入到条件队列，立马就被其他线程唤醒转移到同步队列当中了

// 线程之前在条件队列中沉睡，被唤醒后加入到同步队列当中

while (!isOnSyncQueue(node)) {

// 阻塞在条件队列上

LockSupport.park(this);

if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)

break;

}

// 其他线程通过 signal 已经把 node 从条件队列中转移到同步队列中

// 所以这里尝试acquireQueued

if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)

interruptMode = REINTERRUPT;

if (node.nextWaiter != null)

// 如果状态不是CONDITION，就会自动删除

// CONDITION表示线程正在等待条件

unlinkCancelledWaiters();

if (interruptMode != 0)

reportInterruptAfterWait(interruptMode);

}

await 方法有几点需要特别注意：

fullyRelease(node);，节点在准备进入条件队列之前，一定会先释放当前持有的锁，不然自己进去条件队列了，其余的线程都无法获得锁了；
(acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)，此时节点是被 Condition.signal 或者 signalAll 方法唤醒的，此时节点已经成功的被转移到同步队列中去了（整体架构图中蓝色流程），所以可以直接执行 acquireQueued 方法；
Node 在条件队列中的命名，源码喜欢用 Waiter 来命名，所以我们在条件队列中看到 Waiter，其实就是 Node。

await 方法中有两个重要方法：addConditionWaiter 和 unlinkCancelledWaiters，我们一一看下。

3.3 addConditionWaiter

addConditionWaiter 方法主要是把节点放到条件队列中，方法源码如下：

// 增加新的 waiter 到队列中，返回新添加的 waiter

// 如果尾节点的状态不是CONDITION状态，删除条件队列中所有状态不是CONDITION的节点

// 如果队列为空，新增的节点作为队列头节点，否则追加到尾节点上

private Node addConditionWaiter() {

Node t = lastWaiter;

// 如果尾节点的状态不是CONDITION状态，删除

if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {

unlinkCancelledWaiters();

t = lastWaiter;

}

// 新建条件队列node

Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);

// 如果是空的，直接放在队列头

if (t == null)

firstWaiter = node;

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中所有状态不是CONDITION的节点

// 如果队列为空，新增的节点作为队列头节点，否则追加到尾节点上

private Node addConditionWaiter() {

Node t = lastWaiter;

// 如果尾节点的状态不是CONDITION状态，删除

if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {

unlinkCancelledWaiters();

t = lastWaiter;

}

// 新建条件队列node

Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);

// 如果是空的，直接放在队列头

if (t == null)

firstWaiter = node;

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[外链图片转存中…(img-zAhrcP5B-1715804684962)]

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