【后端面经-Java】AQS详解

1. AQS是什么？

AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock。
简单来说，AQS定义了一套框架，来实现同步类。

2. AQS核心思想

2.1 基本框架

AQS的核心思想是对于共享资源，维护一个双端队列来管理线程，队列中的线程依次获取资源，获取不到的线程进入队列等待，直到资源释放，队列中的线程依次获取资源。
AQS的基本框架如图所示：

2.1.1 资源state

state变量表示共享资源，通常是int类型。

访问方法
state类型用户无法直接进行修改，而需要借助于AQS提供的方法进行修改，即getState()、setState()、compareAndSetState()等。
访问类型
AQS定义了两种资源访问类型:
- 独占（Exclusive）:一个时间点资源只能由一个线程占用；
- 共享（Share）:一个时间点资源可以被多个线程共用。

2.1.2 CLH双向队列

CLH队列是一种基于逻辑队列非线程饥饿的自旋公平锁，具体介绍可参考此篇博客。CLH中每个节点都表示一个线程，处于头部的节点获取资源，而其他资源则等待。

节点结构
Node类源码如下所示：

static final class Node {
 // 模式，分为共享与独占
 // 共享模式
 static final Node SHARED = new Node();
 // 独占模式
 static final Node EXCLUSIVE = null;        
 // 结点状态
 // CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消
 // SIGNAL，值为-1，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是unpark
 // CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中
 // PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行
 // 值为0，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁
 static final int CANCELLED =  1;
 static final int SIGNAL    = -1;
 static final int CONDITION = -2;
 static final int PROPAGATE = -3;        

 // 结点状态
 volatile int waitStatus;        
 // 前驱结点
 volatile Node prev;    
 // 后继结点
 volatile Node next;        
 // 结点所对应的线程
 volatile Thread thread;        
 // 下一个等待者
 Node nextWaiter;
 
 // 结点是否在共享模式下等待
 final boolean isShared() {
  return nextWaiter == SHARED;
 }
 
 // 获取前驱结点，若前驱结点为空，抛出异常
 final Node predecessor() throws NullPointerException {
  // 保存前驱结点
  Node p = prev; 
  if (p == null) // 前驱结点为空，抛出异常
      throw new NullPointerException();
  else // 前驱结点不为空，返回
      return p;
 }
 
 // 无参构造方法
 Node() {    // Used to establish initial head or SHARED marker
 }
 
 // 构造方法
  Node(Thread thread, Node mode) {    // Used by addWaiter
  this.nextWaiter = mode;
  this.thread = thread;
 }
 
 // 构造方法
 Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
  this.waitStatus = waitStatus;
  this.thread = thread;
 }
}

Node的方法和属性值如图所示：

![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/cyl173/Imagebed/node节点.png)

其中,

waitStatus表示当前节点在队列中的状态；
thread表示当前节点表示的线程；
prev和next分别表示当前节点的前驱节点和后继节点；
nextWaiterd当存在CONDTION队列时，表示一个condition状态的后继节点。
waitStatus
结点的等待状态是一个整数值，具体的参数值和含义如下所示：
1-CANCELLED，表示节点获取锁的请求被取消，此时节点不再请求资源；
0，是节点初始化的默认值；
-1-SIGNAL,表示线程做好准备，等待资源释放；
-2-CONDITION，表示节点在condition等待队列中，等待被唤醒而进入同步队列；
-3-PROPAGATE，当前线程处于共享模式下的时候会使用该字段。

2.2 AQS模板

AQS提供一系列结构，作为一个完整的模板，自定义的同步器只需要实现资源的获取和释放就可以，而不需要考虑底层的队列修改、状态改变等逻辑。
使用AQS实现一个自定义同步器，需要实现的方法：

isHeldExclusively()：该线程是否独占资源，在使用到condition的时候会实现这一方法；
tryAcquire(int)：独占模式获取资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
tryRelease(int):独占模式释放资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
tryAcquireShared(int)：共享模式获取资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;
tryReleaseShared(int)：共享模式释放资源的方式，成功获取返回true，否则返回false;

一般来说，一个同步器是资源独占模式或者资源共享模式的其中之一，因此tryAcquire(int)和tryAcquireShared(int)只需要实现一个即可，tryRelease(int)和tryReleaseShared(int)同理。
但是同步器也可以实现两种模式的资源获取和释放，从而实现独占和共享两种模式。

3. 源码分析

3.1 acquire(int)

acquire(int)是获取源码部分的顶层入口，源码如下所示：

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

这段代码展现的资源获取流程如下：

tryAcquire()尝试直接去获取资源；获取成功则直接返回
如果获取失败，则addWaiter()将该线程加入等待队列的尾部，并标记为独占模式；
acquireQueued()使线程阻塞在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回。

简单总结就是：

获取资源；
失败就排队；
排队要等待。

从上文的描述可见重要的方法有三个：tryAquire()、addWaiter()、acquireQueued()。下面将逐个分析其源码：

3.1.1 tryAcquire(int)

tryAcquire(int)是获取资源的方法，源码如下所示：

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

该方法是一个空方法，需要自定义同步器实现，因此在使用AQS实现同步器时，需要重写该方法。这也是“自定义的同步器只需要实现资源的获取和释放就可以”的体现。

3.1.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

addWaiter(Node.EXCLUSIVE)是将线程加入等待队列的尾部，源码如下所示：

private Node addWaiter(Node mode) {
    //以给定模式构造结点。mode有两种：EXCLUSIVE（独占）和SHARED（共享）
    //aquire()方法是独占模式，因此直接使用Exclusive参数。
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);

    //尝试快速方式直接放到队尾。
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }

    //上一步失败则通过enq入队。
    enq(node);
    return node;
}

首先，使用模式将当前线程构造为一个节点，然后尝试将该节点放入队尾，如果成功则返回，否则调用enq(node)将节点放入队尾，最终返回当前节点的位置指针。
其中，enq(node)方法是将节点加入队列的方法，源码如下所示：

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列
        // 保存尾结点
        Node t = tail;
        if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化
            if (compareAndSetHead(new Node())) // 头节点为空，并设置头节点为新生成的结点
                tail = head; // 头节点与尾结点都指向同一个新生结点
        } else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过
            // 将node结点的prev域连接到尾结点
            node.prev = t; 
            if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node
                // 设置尾结点的next域为node
                t.next = node; 
                return t; // 返回尾结点
            }
        }
    }
}

3.1.3 acquireQueued(Node node, int arg)

这部分源码是将线程阻塞在等待队列中，线程处于等待状态，直到获取到资源后才返回，源码如下所示：

// sync队列中的结点在独占且忽略中断的模式下获取(资源)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    // 标志
    boolean failed = true;
    try {
        // 中断标志
        boolean interrupted = false;
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取node节点的前驱结点
            final Node p = node.predecessor(); 
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱为头节点并且成功获得锁
                setHead(node); // 设置头节点
                p.next = null; // help GC
                failed = false; // 设置标志
                return interrupted; 
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())//
                //shouldParkAfterFailedAcquire只有当该节点的前驱结点的状态为SIGNAL时，才可以对该结点所封装的线程进行park操作。否则，将不能进行park操作。
                //parkAndCheckInterrupt首先执行park操作，即禁用当前线程，然后返回该线程是否已经被中断
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

acquireQueued(Node node, int arg)方法的主要逻辑如下：

获取node节点的前驱结点,判断前驱节点是不是头部节点head，有没有成功获取资源。
如果前驱结点是头部节点head并且获取了资源，说明自己应该被唤醒，设置该节点为head节点等待下一个获得资源；
如果前驱节点不是头部节点或者没有获取资源，则判断是否需要park当前线程，
- 判断前驱节点状态是不是SIGNAL，是的话则park当前节点，否则不执行park操作；
park当前节点之后，当前节点进入等待状态，等待被其他节点unpark操作唤醒。然后重复此逻辑步骤。

3.2 release(int)

release(int)是释放资源的顶层入口方法，源码如下所示：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) { // 释放成功
        // 保存头节点
        Node h = head; 
        if (h != null && h.waitStatus != 0) // 头节点不为空并且头节点状态不为0
            unparkSuccessor(h); //释放头节点的后继结点
        return true;
    }
    return false;
}

release(int)方法的主要逻辑如下：

尝试释放资源，如果释放成功则返回true，否则返回false；
释放成功之后，需要调用unparkSuccessor(h)唤醒后继节点。

下面介绍两个重要的源码函数：tryRelease(int)和unparkSuccessor(h)。

3.2.1 tryRelease(int)

tryRelease(int)是释放资源的方法，源码如下所示：

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

这部分是需要自定义同步器自己实现的，要注意的是返回值需要为boolean类型，表示释放资源是否成功。

3.2.2 unparkSuccessor(h)

unparkSuccessor(h)是唤醒后继节点的方法，源码如下所示：

private void unparkSuccessor(Node node) {
    //这里，node一般为当前线程所在的结点。
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)//置零当前线程所在的结点状态，允许失败。
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;//找到下一个需要唤醒的结点s
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {//如果为空或已取消
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) // 从后向前找。
            if (t.waitStatus <= 0)//从这里可以看出，<=0的结点，都是还有效的结点。
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);//唤醒
}

这部分主要是查找第一个还处于等待状态的节点，将其唤醒；
查找顺序是从后往前找，这是因为CLH队列中的prev链是强一致的，从后往前找更加安全，而next链因为addWaiter()方法和cancelAcquire()方法的存在，不是强一致的，因此从前往后找可能会出现问题。这部分的具体解释可以参考参考文献-1

3.3 acquireShared(int)和releaseShared(int)

3.3.1 acquireShared(int)

是使用共享模式获取共享资源的顶层入口方法，源码如下所示：

public final void acquireShared(int arg) {
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireShared(arg);
}

流程如下：

通过tryAcquireShared(arg)尝试获取资源，如果获取成功则直接返回；
如果获取资源失败，则调用doAcquireShared(arg)将线程阻塞在等待队列中，直到被unpark()/interrupt()并成功获取到资源才返回。

其中，tryAcquireShared(arg)是获取共享资源的方法，也是需要用户自己实现。

而doAcquireShared(arg)是将线程阻塞在等待队列中，直到获取到资源后才返回，具体流程和acquireQueued()方法类似，
源码如下所示：

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);//加入队列尾部
    boolean failed = true;//是否成功标志
    try {
        boolean interrupted = false;//等待过程中是否被中断过的标志
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();//前驱
            if (p == head) {//如果到head的下一个，因为head是拿到资源的线程，此时node被唤醒，很可能是head用完资源来唤醒自己的
                int r = tryAcquireShared(arg);//尝试获取资源
                if (r >= 0) {//成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);//将head指向自己，还有剩余资源可以再唤醒之后的线程
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)//如果等待过程中被打断过，此时将中断补上。
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }

            //判断状态，寻找安全点，进入waiting状态，等着被unpark()或interrupt()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

3.3.2 releaseShared(int)

releaseShared(int)是释放共享资源的顶层入口方法，源码如下所示：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放资源
        doReleaseShared();//唤醒后继结点
        return true;
    }
    return false;
}

流程如下：

使用tryReleaseShared(arg)尝试释放资源，如果释放成功则返回true，否则返回false；
如果释放成功，则调用doReleaseShared()唤醒后继节点。

下面介绍一下doReleaseShared()方法，源码如下所示：

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;
                unparkSuccessor(h);//唤醒后继
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;
        }
        if (h == head)// head发生变化
            break;
    }
}

4. 面试问题模拟

Q：AQS是接口吗？有哪些没有实现的方法？看过相关源码吗？

AQS定义了一个实现同步类的框架，实现方法主要有tryAquire和tryRelease，表示独占模式的资源获取和释放，tryAquireShared和tryReleaseShared表示共享模式的资源获取和释放。
源码分析如上文所述。

【后端面经-Java】AQS详解

1. AQS是什么？

2. AQS核心思想

2.1 基本框架

2.1.1 资源state

2.1.2 CLH双向队列

2.2 AQS模板

3. 源码分析

3.1 acquire(int)

3.1.1 tryAcquire(int)

3.1.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

3.1.3 acquireQueued(Node node, int arg)

3.2 release(int)

3.2.1 tryRelease(int)

3.2.2 unparkSuccessor(h)

3.3 acquireShared(int)和releaseShared(int)

3.3.1 acquireShared(int)

3.3.2 releaseShared(int)

4. 面试问题模拟

参考资料

cyl173

引用和评论

【Java基础】Java容器相关知识小结

在Java程序中监听mysql的binlog

Jerry和您聊聊Chrome开发者工具

Bitmap 和布隆过滤器傻傻分不清？你这不应该啊

Just for fun——迅速写完快速排序

Spring 实现 3 种异步流式接口，干掉接口超时烦恼

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【后端面经-Java】AQS详解

1. AQS是什么？

2. AQS核心思想

2.1 基本框架

2.1.1 资源state

2.1.2 CLH双向队列

2.2 AQS模板

3. 源码分析

3.1 acquire(int)

3.1.1 tryAcquire(int)

3.1.2 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

3.1.3 acquireQueued(Node node, int arg)

3.2 release(int)

3.2.1 tryRelease(int)

3.2.2 unparkSuccessor(h)

3.3 acquireShared(int)和releaseShared(int)

3.3.1 acquireShared(int)

3.3.2 releaseShared(int)

4. 面试问题模拟

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