01_*AQS原理

gong_yz大约 24 分钟并发编程

一、黑马版本

1.1 概述

全称是AbstractQueuedSynchronizer,抽象的队列同步器。是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架。AQS中有一个核心属性state,其次还有一个双向链表以及一个单项链表。AQS是JUC下大量工具的基础类,很多工具都基于AQS实现的,比如lock锁,ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、线程池等等都用到了AQS。可以这么说,只要搞懂了AQS,那么J.U.C中绝大部分的api都能轻松掌握。

特点

  • 用state属性来表示资源的状态(分独占模式和共享模式),子类需要定义如何维护这个状态,控制如何获取锁和释放锁。而state的每一个值具体是什么含义,是由我们自己实现的。
    • getState - 获取当前同步状态(state状态)
    • setState - 设置当前同步状态
    • compareAndSetState - cas 机制设置state状态
    • 独占模式是只有一个线程能够访问资源,而共享模式可以允许多个线程访问资源
  • 提供了基于FIFO(先进先出)的等待队列,类似于Monitor的EntryList
  • 条件变量来实现等待、唤醒机制,支持多个条件变量,类似于Monitor的WaitSet

从使用层面来说,AQS的功能分为两种:独占和共享

  • 独占锁:每次只能有一个线程持有锁,比如ReentrantLock就是以独占方式实现的互斥锁。
  • 共享锁:允许多个线程同时获取锁,并发访问共享资源,比如ReentrantReadWriteLock。

子类主要实现这样一些方法(默认抛出 UnsupportedOperationException)

  • tryAcquire:独占式获取同步状态
  • tryRelease:独占式释放同步状态
  • tryAcquireShared:共享式获取同步状态
  • tryReleaseShared:共享式释放同步状态
  • isHeldExclusively:判断线程是否独占式的持有同步状态

获取锁的姿势:

//如果获取锁失败
if (!tryAcquire(arg)){
	//入队,可以选择阻塞当前线程  park unpark
}

释放锁的姿势:

//如果释放锁成功
if (tryRelease(arg)){
	//让阻塞线程恢复运行
}

1.2 AQS的基本属性和方法

//头节点
private transient volatile Node head;
//尾节点
private transient volatile Node tail;
//状态值
private volatile int state;

AQS的实现依赖内部的同步队列,也就是FIFO的双向队列,如果当前线程竞争锁失败,那么AQS会把当前线程以及等待状态信息构造成一个Node加入到同步队列中,同时再阻塞该线程。当获取锁的线程释放锁以后,会从队列中唤醒一个阻塞的节点(线程)。

AQS队列内部维护的是一个FIFO的双向链表,这种结构的特点是每个数据结构都有两个指针,分别指向直接的后继节点和直接前驱节点,所以双向链表可以从任意一个节点开始很方便的访问前驱和后继。每个Node其实都是由线程封装的,当线程争抢锁失败后会封装成Node加入到ASQ队列中去。

1.3 释放锁以及添加线程对于队列的变化

1.3.1 添加节点

当出现锁竞争以及释放锁的时候,AQS同步队列中的节点会发生变化,首先看一下添加节点的场景。

这里会涉及到两个变化:

  1. 新的线程封装成Node节点追加到同步队列中,设置prev节点以及修改当前节点的前置节点的next节点指向自己
  2. 通过CAS讲tail重新指向新的尾部节点

1.3.2 释放锁移除节点

head节点表示获取锁成功的节点,当头结点在释放同步状态时,会唤醒后继节点,如果后继节点获得锁成功,会把自己设置为头结点,节点的变化过程如下:

这个过程也是涉及到两个变化:

  1. 修改head节点指向下一个获得锁的节点
  2. 新的获得锁的节点,将prev的指针指向null

这里有一个小的变化,就是设置head节点不需要用CAS,原因是设置head节点是由获得锁的线程来完成的,而同步锁只能由一个线程获得,所以不需要CAS保证,只需要把head节点设置为原首节点的后继节点,并且断开原head节点的next引用即可。

1.4 实现不可重入锁

package com.gyz.juc;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

/**
 * @Description 自定义不可重入锁
 * @Author GongYuZhuo
 * @Date 2021/7/4 15:20
 * @Version 1.0.0
 */
@Slf4j(topic = "c.UnRepeatLockTest")
public class UnRepeatLockTest {

    public static void main(String[] args) {
        MyLock myLock = new MyLock();
        new Thread(() -> {
            myLock.lock();
            log.debug("locking...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                myLock.unlock();
                log.debug("unlocking...");
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            myLock.lock();
            try {
                log.debug("locinkg...");
            } finally {
                myLock.unlock();
                log.debug("unlocking...");
            }
        }, "t2").start();
    }

}

/**
 *  自定义锁
 */
class MyLock implements Lock {

    /**
     *  自定义同步器
     */
    class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                //加上了锁,并设置 owner为当前线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            if (compareAndSetState(1, 0)) {
                setExclusiveOwnerThread(null);
                setState(0);
                return true;
            }
            return false;
        }

        //是否持有独占锁
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        public Condition newConditon() {
            return new ConditionObject();
        }
    }

    private MySync mySync = new MySync();

    //尝试,不成功进入阻塞队列
    @Override
    public void lock() {
        mySync.acquire(1);
    }

    //尝试,不成功进入等待队列,可打断
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        mySync.acquireInterruptibly(1);
    }

    //尝试,不成功,则进入等待队列,可打断
    @Override
    public boolean tryLock() {
        return mySync.tryAcquire(1);
    }

    //尝试一次,不成功,进入等待队列,有时限
    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return mySync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    //释放锁
    @Override
    public void unlock() {
        mySync.release(1);
    }

    //生成条件变量
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return mySync.newConditon();
    }
}

不可重入测试。

/**
  * 测试一
  */
MyLock myLock = new MyLock();
new Thread(() -> {
    myLock.lock();
    System.out.println("locking");
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("unloking");
        myLock.unlock();
    }
}, "t1").start();

new Thread(() -> {
    myLock.lock();
    System.out.println("locking");
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        myLock.unlock();
        System.out.println("unlocking");

    }
}, "t2").start();

输出:

locking
unloking
locking
unlocking

如果改为下面测试代码,会发现自己也会被挡住(只会打印一次 locking) :

MyLock myLock = new MyLock();
myLock.lock();
log.debug("locking...");
myLock.lock();
log.debug("locking...");

1.5 AQS 要实现的功能目标

1.5.1 目标

  • 阻塞版本获取锁acquire和非阻塞的版本尝试获取锁tryAcquire
  • 获取锁超时机制
  • 通过打断取消机制
  • 独占机制及共享机制
  • 条件不满足时的等待机制

1.5.2 设计

AQS 的基本思想其实很简单 。获取锁的逻辑:

while (state 状态不允许获取){
	if(队列中还没有此线程){
		入队并阻塞
	}
}
当前线程出队

释放锁的逻辑:

if (state 状态允许了){
	恢复阻塞的线程(s)
}

要点:

  • 原子维护state状态
  • 阻塞及恢复线程
  • 维护队列

1)state 设计

  • state使用volatile配合cas保证其修改时的原子性
  • state使用了32bit int来维护同步状态,因为当时使用long在很多平台下测试的结果并不理想

2)阻塞恢复设计

  • 早期的控制线程暂停和恢复的 api 有 suspend 和 resume,但它们是不可用的,因为如果先调用的 resume那么 suspend 将感知不到
  • 解决方法是使用 park & unpark 来实现线程的暂停和恢复,先 unpark 再 park 也没问题
  • park & unpark 是针对线程的,而不是针对同步器的,因此控制粒度更为精细
  • park 线程还可以通过 interrupt 打断
  1. 队列设计
  • 使用了 FIFO 先入先出队列,并不支持优先级队列
  • 设计时借鉴了 CLH 队列,它是一种单向无锁队列

1.6 主要用到 AQS 的并发工具类


二、尚硅谷版本

2.1 前置知识

AbstractQueuedSynchronizer(AQS):抽象的队列同步器

  1. 公平锁和非公平锁
  2. 可重入锁
  3. LockSupport
  4. 自旋锁
  5. 数据结构之链表
  6. 设计模式之模板设计模式

一般我们说的 AQS 指的是 java.util.concurrent.locks 包下的 AbstractQueuedSynchronizer,但其实还有另外三种抽象队列同步器:AbstractOwnableSynchronizerAbstractQueuedLongSynchronizer AbstractQueuedSynchronizer

AQS 是用来构建锁或者其它同步器组件的重量级基础框架及整个JUC体系的基石, 通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,并通过一个int类变量(state)表示持有锁的状态;

CLHCraig、Landin and Hagersten 队列,是一个双向链表,AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列FIFO:

AQS 能干嘛

  • 加锁会导致阻塞,有阻塞就需要排队,实现排队必然需要有某种形式的队列来进行管理。

  • 如果共享资源被占用,就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的,将暂时获取不到锁的线程加入到队列中,这个队列就是AQS的抽象表现。它将请求共享资源的线程封装成队列的结点(Node) ,通过CAS、自旋以及LockSuport.park()的方式,维护state变量的状态,使并发达到同步的效果。见CLH图

AQS 初步认识

官方解释

有阻塞就需要排队,实现排队必然需要队列

  • AQS使用一个volatile的int类型的成员变量来表示同步状态,通过内置的 FIFO队列来完成资源获取的排队工作将每条要去抢占资源的线程封装成 一个Node节点来实现锁的分配,通过CAS完成对State值的修改。
  • Node 节点是啥?答:你有见过 HashMap 的 Node 节点吗?JDK 用 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {} 来封装我们传入的 KV 键值对。这里也是一样的道理,JDK 使用 Node 来封装(管理)Thread
  • 可以将 Node 和 Thread 类比于候客区的椅子和等待用餐的顾客

AQS 内部体系框架

  1. AQS的int变量

    AQS的同步状态State成员变量,类似于银行办理业务的受理窗口状态:零就是没人,自由状态可以办理;大于等于1,有人占用窗口,等着去

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;
    
    
  2. AQS的CLH队列

    CLH队列(三个人的名字组成),为一个双向队列,类似于银行侯客区的等待顾客

  3. 内部类Node(Node类在AQS类内部)

    Node的等待状态waitState成员变量,类似于等候区其它顾客(其它线程)的等待状态,队列中每个排队的个体就是一个Node

    /**
    * ...
    */
    volatile int waitStatus;
    

    Node类的内部结构

    static final class Node{
        //共享
        static final Node SHARED = new Node();
        
        //独占
        static final Node EXCLUSIVE = null;
        
        //线程被取消了
        static final int CANCELLED = 1;
        
        //后继线程需要唤醒
        static final int SIGNAL = -1;
        
        //等待condition唤醒
        static final int CONDITION = -2;
        
        //共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
        static final int PROPAGATE = -3;
        
        // 初始为e,状态是上面的几种
        volatile int waitStatus;
        
        // 前置节点
        volatile Node prev;
        
        // 后继节点
        volatile Node next;
    
        // ...
        
    
  4. AQS同步队列的基本结构

2.2 和AQS有关的并发编程类

image-20201227165833625
image-20201227165833625
  • ReentrantLock

  • CountDownLatch

  • ReentrantReadWriteLock

    public class ReentrantReadWriteLock
            implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = -6992448646407690164L;
        /** Inner class providing readlock */
        private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
        /** Inner class providing writelock */
        private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
        /** Performs all synchronization mechanics */
        final Sync sync;
    
        /**
         * Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with
         * default (nonfair) ordering properties.
         */
        public ReentrantReadWriteLock() {
            this(false);
        }
    
        /**
         * Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with
         * the given fairness policy.
         *
         * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
         */
        public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
            sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
            readerLock = new ReadLock(this);
            writerLock = new WriteLock(this);
        }
    
        public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
        public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }
    
        /**
         * Synchronization implementation for ReentrantReadWriteLock.
         * Subclassed into fair and nonfair versions.
         */
        abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
            private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;
            ...   
        }    
        ...
        
    }    
    
  • Semaphore

  • 进一步理解锁和同步器的关系

    • ,面向锁的使用者。定义了程序员和锁交互的使用层API,隐藏了实现细节,你调用即可,可以理解为用户层面的 API;
    • 同步器,面向锁的实现者。比如Java并发大神Douglee,提出统一规范并简化了锁的实现,屏蔽了同步状态管理、阻塞线程排队和通知、唤醒机制等,Java 中有那么多的锁,就能简化锁的实现啦。

2.3 从ReentrantLock开始解读AQS

2.3.1 前置知识

  • 本次讲解我们走最常用的,lock/unlock作为案例突破口

  • AQS里面有个变量叫state,3个状态:没占用是0,用了是1大于1是可重入锁

  • 如果AB两个线程进来了以后,请问这个总共有多少个Node节点?答案是3个,其中队列的第一个是傀儡节点(哨兵节点),如下图。

2.3.2 lock()方法开始

通过 ReentrantLock 的源码来讲解公平锁和非公平锁

ReentrantLock 内定义了静态内部类,分别为 NoFairSync(非公平锁)和 FairSync(公平锁)

ReentrantLock 的构造函数:不传参数表示创建非公平锁;参数为 true 表示创建公平锁;参数为 false 表示创建非公平锁

lock() 方法的执行流程:以 NonfairSync 为例

ReentrantLock 中,NoFairSyncFairSynctryAcquire() 方法的区别,可以明显看出公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件:hasQueuedPredecessors()

hasQueuedPredecessors() 方法是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法:

公平锁与非公平锁的总结

对比公平锁和非公平锁的tryAcqure()方法的实现代码,其实差别就在于非公平锁获取锁时比公平锁中少了一个判断!hasQueuedPredecessors()hasQueuedPredecessors()中判断了是否需要排队,导致公平锁和非公平锁的差异如下:

  1. 公平锁:公平锁讲究先来先到,线程在获取锁时,如果这个锁的等待队列中已经有线程在等待,那么当前线程就会进入等待队列中;

  2. 非公平锁:不管是否有等待队列,如果可以获取锁,则立刻占有锁对象。也就是说队列的第一 个排队线程在unpark(),之后还是需要竞争锁(存在线程竞争的情况下)

acquire() 方法最终都会调用 tryAcquire() 方法:

NonfairSyncFairSync 中均重写了其父类 AbstractQueuedSynchronizer 中的 tryAcquire() 方法

以案例代码解析

源码解读比较困难,我们这里举个例子,假设 A、B、C 三个人都要去银行窗口办理业务,但是银行窗口只有一个,我们使用 lock.lock() 模拟这种情况:

public class AQSDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        //带入一个银行办理业务的案例来模拟我们的AQS如何进行线程的管理和通知唤醒机制
        //3个线程模拟3个来银行网点,受理窗口办理业务的顾客
        //A顾客就是第一个顾客,此时受理窗口没有任何人,A可以直接去办理
        new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try{
                    System.out.println("-----A thread come in");

                    try { TimeUnit.MINUTES.sleep(20); }catch (Exception e) {e.printStackTrace();}
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
        },"A").start();

        //第二个顾客,第二个线程---》由于受理业务的窗口只有一个(只能一个线程持有锁),此时B只能等待,
        //进入候客区
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try{
                System.out.println("-----B thread come in");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"B").start();

        //第三个顾客,第三个线程---》由于受理业务的窗口只有一个(只能一个线程持有锁),此时C只能等待,
        //进入候客区
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try{
                System.out.println("-----C thread come in");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"C").start();
    }
}

先来看看线程 A(客户 A)的执行流程

  • new ReentrantLock() 不传参默认是非公平锁,调用 lock.lock() 方法最终都会执行 NonfairSync 重写后的 lock() 方法;

  • 第一次执行 lock() 方法

    由于第一次执行 lock() 方法,state 变量的值等于 0,表示 lock 锁没有被占用,此时执行 compareAndSetState(0, 1) CAS 判断,可得 state == expected == 0,因此 CAS 成功,将 state 的值修改为 1

  • 再来看看 setExclusiveOwnerThread() 方法做了啥:将拥有 lock 锁的线程修改为线程 A

再来看看线程 B(客户 B)的执行流程

  • 第二次执行 lock() 方法

  • 由于第二次执行 lock() 方法,state 变量的值等于 1,表示 lock 锁被占用,此时执行 compareAndSetState(0, 1) CAS 判断,可得 state != expected,因此 CAS 失败,进入 acquire() 方法

  • acquire() 方法主要包含如下几个方法,下面我们一个一个来讲解

  • tryAcquire(arg) 方法的执行流程

    • 先来看看 tryAcquire() 方法,诶,怎么抛了个异常?别着急,仔细一看是 AbstractQueuedSynchronizer 抽象队列同步器中定义的方法,既然抛出了异常,就证明父类强制要求子类去实现(模板设计模式的应用

    • Ctrl + Alt + B查看子类的实现

    • 这里以非公平锁 NonfairSync 为例,在 tryAcquire() 方法中调用了 nonfairTryAcquire() 方法,注意,这里传入的参数都是 1

  • nonfairTryAcquire(acquires) 正常的执行流程:

    • 在 nonfairTryAcquire() 方法中,大多数情况都是如下的执行流程:线程 B 执行 int c = getState() 时,获取到 state 变量的值为 1,表示 lock 锁正在被占用;于是执行 if (c == 0) { 发现条件不成立,接着执行下一个判断条件 else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {,current 线程为线程 B,而getExclusiveOwnerThread() 方法返回正在占用 lock 锁的线程,为线程 A,因此 tryAcquire() 方法最后会 return false,表示并没有抢占到 lock 锁

    • 补充getExclusiveOwnerThread() 方法返回正在占用 lock 锁的线程(排他锁,exclusive)

  • nonfairTryAcquire(acquires) 比较特殊的执行流程:

    • 第一种情况是,走到 int c = getState() 语句时,此时线程 A 恰好执行完成,让出了 lock 锁,那么 state 变量的值为 0,当然发生这种情况的概率很小,那么线程 B 执行 CAS 操作成功后,将占用 lock 锁的线程修改为自己,然后返回 true,表示抢占锁成功。其实这里还有一种情况,需要留到 unlock() 方法才能说清楚
    • 第二种情况为可重入锁的表现,假设 A 线程又再次抢占 lock 锁(当然示例代码里面并没有体现出来),这时 current == getExclusiveOwnerThread() 条件成立,将 state 变量的值加上 acquire,这种情况下也应该 return true,表示线程 A 正在占用 lock 锁。因此,state 变量的值是可以大于 1 的
  • 继续往下走,执行 addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 方法

    • tryAcquire() 方法返回 false 之后,进行 ! 操作后为 true,那么会继续执行 addWaiter() 方法

    • Node 节点用于封装用户线程,这里将当前正在执行的线程通过 Node 封装起来(当前线程正是抢占 lock 锁没有抢占到的线程)

    • 判断 tail 尾指针是否为空,双端队列此时还没有元素呢~肯定为空呀,那么执行 enq(node) 方法,将封装了线程 B 的 Node 节点入队

       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;
          }
      
    • enq(node) 方法:构建双端同步队列

      • 在双端同步队列中,第一个节点为虚节点(也叫哨兵节点),其实并不存储任何信息,只是占位。 真正的第一个有数据的节点,是从第二个节点开始的

         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;
                        }
                    }
                }
            }
        
      • 第一次执行 for 循环:当线程 B 进来时,双端同步队列为空,此时肯定要先构建一个哨兵节点。此时 tail == null,因此进入if(t == null){ 的分支,头指针指向哨兵节点,此时队列中只有一个节点,尾节点即是头结点,因此尾指针也指向该哨兵节点

      • 第二次执行 for 循环:现在该将装着线程 B 的节点放入双端同步队列中,此时 tail 指向了哨兵节点,并不等于 null,因此 if (t == null) 不成立,进入 else 分支。以尾插法的方式,先将 node(装着线程 B 的节点)的 prev 指向之前的 tail,再将 node 设置为尾节点(执行 compareAndSetTail(t, node)),最后将 t.next 指向 node,最后执行 return t结束 for 循环

      • 注意:哨兵节点和 nodeB 节点的 waitStatus 均为 0,表示在等待队列中

    • acquireQueued() 方法的执行

      执行完 addWaiter() 方法之后,就该执行 acquireQueued() 方法了,这个方法有点东西,我们放到后面再去讲它

最后来看看线程 C(客户 C)的执行流程

线程 C 和线程 B 的执行流程很类似,都是执行 acquire() 中的方法;

但是在 addWaiter() 方法中,执行流程有些区别。此时 tail != null,因此在 addWaiter() 方法中就已经将 nodeC 添加至队尾了

执行完 addWaiter() 方法后,就已经将 nodeC 挂在了双端同步队列的队尾,不需要再执行 enq(node) 方法

再看acquireQueued() 方法的执行逻辑

先来看看 acquireQueued() 方法的源代码,其实这样直接看代码有点懵逼,我们接下来举例来理解。注意看:两个 if 判断中的代码都放在 for( ; ; ) 中执行,这样可以实现自旋的操作

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);
        }
    }

继续看线程 B 的执行流程

线程 B 执行 addWaiter() 方法之后,就进入了 acquireQueued() 方法中,此时传入的参数为封装了线程 B 的 nodeB 节点,nodeB 的前驱结点为哨兵节点,因此 final Node p = node.predecessor() 执行完后,p 将指向哨兵节点。哨兵节点满足 p == head,但是线程 B 执行 tryAcquire(arg) 方法尝试抢占 lock 锁时还是会失败,因此会执行下面 if 判断中的 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 方法,该方法的代码如下:

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;
    }

哨兵节点的 waitStatus == 0,因此执行 CAS 操作将哨兵节点的 waitStatus 改为 Node.SIGNAL(-1)

 compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);

注意:compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL) 调用 unsafe.compareAndSwapInt(node, waitStatusOffset, expect, update); 实现,虽然 compareAndSwapInt() 方法内无自旋,但是在 acquireQueued() 方法中的 for( ; ; ) 能保证此自选操作成功(另一种情况就是线程 B 抢占到 lock 锁)

执行完上述操作,将哨兵节点的 waitStatus 设置为了 -1;

执行完毕将退出 if 判断,又会重新进入 for( ; ; ) 循环,此时执行 shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 方法时会返回 true,因此此时会接着执行 parkAndCheckInterrupt() 方法

线程 B 调用 park() 方法后被挂起,程序不会然续向下执行,程序就在这儿排队等待

线程 C 的执行流程

线程 C 最终也会执行到 LockSupport.park(this); 处,然后被挂起,进入等待区。

总结

  • 如果前驱节点的 waitstatus 是 SIGNAL 状态(-1),即 shouldParkAfterFailedAcquire() 方法会返回 true,程序会继续向下执行 parkAndCheckInterrupt() 方法,用于将当前线程挂起

  • 根据 park() 方法 API 描述,程序在下面三种情况会继续向下执行:

    • 被 unpark
    • 被中断(interrupt)
    • 其他不合逻辑的返回才会然续向下执行
  • 因上述三种情况程序执行至此,返回当前线程的中断状态,并清空中断状态。如果程序由于被中断,该方法会返回 true

2.3.3 unlock() 开始

线程 A 执行 unlock() 方法

  • unlock() 方法调用了 sync.release(1)

      public void unlock() {
            sync.release(1);
      }
    
  • release() 方法的执行流程

    • 其实主要就是看看 tryRelease(arg) 方法和 unparkSuccessor(h) 方法的执行流程,这里先大概说以下,能有个印象:线程 A 即将让出 lock 锁,因此 tryRelease() 执行后将返回 true,表示礼让成功,head 指针指向哨兵节点,并且 if 条件满足,可执行 unparkSuccessor(h) 方法
  • tryRelease(arg) 方法的执行逻辑

    • 又是 AbstractQueuedSynchronizer 类中定义的方法,又是抛了个异常

    • 线程 A 只加锁过一次,因此 state 的值为 1,参数 release 的值也为 1,因此 c == 0。将 free 设置为 true,表示当前 lock 锁已被释放,将排他锁占有的线程设置为 null,表示没有任何线程占用 lock 锁

  • unparkSuccessor(h) 方法的执行逻辑

    • 在 release() 方法中获取到的头结点 h 为哨兵节点,h.waitStatus == -1,因此执行 CAS操作将哨兵节点的 waitStatus 设置为 0,并将哨兵节点的下一个节点s = node.next = nodeB获取出来,并唤醒 nodeB 中封装的线程if (s == null || s.waitStatus > 0)不成立,只有 if (s != null) 成立

          private void unparkSuccessor(Node node) {
              /*
               * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
               * to clear in anticipation of signalling.  It is OK if this
               * fails or if status is changed by waiting thread.
               */
              int ws = node.waitStatus;
              if (ws < 0)
                  compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
      
              /*
               * Thread to unpark is held in successor, which is normally
               * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
               * traverse backwards from tail to find the actual
               * non-cancelled successor.
               */
              Node s = node.next;
              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)
                  LockSupport.unpark(s.thread);
          }
      
    • 执行完上述操作后,当前占用 lock 锁的线程为 null,哨兵节点的 waitStatus 设置为 0,state 的值为 0(表示当前没有任何线程占用 lock 锁)

继续来看 B 线程被唤醒之后的执行逻辑

再次回到 lock() 方法的执行流程中来,线程 B 被 unpark() 之后将不再阻塞,继续执行下面的程序,线程 B 正常被唤醒,因此 Thread.interrupted() 的值为 false,表示线程 B 未被中断。

回到上一层方法中,此时 lock 锁未被占用,线程 B 执行 tryAcquire(arg) 方法能够抢到 lock 锁,并且将 state 变量的值设置为 1,表示该 lock 锁已经被占用

接着来研究下 setHead(node) 方法:传入的节点为 nodeB,头指针指向 nodeB 节点;将 nodeB 中封装的线程置为 null(因为已经获得锁了);nodeB 不再指向其前驱节点(哨兵节点)。这一切都是为了将 nodeB 作为新的哨兵节点

执行完 setHead(node) 方法的状态如下图所示:

p.next 设置为 null,这是原来的哨兵节点就是完全孤立的一个节点,此时 nodeB 作为新的哨兵节点

线程 C 也是类似的执行流程!!!