1. AQS简介

抽象同步队列,实现同步器的基础组件,如常用的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。

AQS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。

2. 结构

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// 头结点,当前持有锁的线程
private transient volatile Node head;

// 阻塞的尾节点,新的节点尾插到最后,形成一个链表
private transient volatile Node tail;

// 当前锁的状态,0代表没有被占用,大于 0 代表有线程持有当前锁
private volatile int state;

// 代表当前持有独占锁的线程
// reentrantLock.lock()可以嵌套调用多次,所以每次用这个来判断当前线程是否已经拥有了锁
// if (currentThread == getExclusiveOwnerThread()) {state++}
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

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CAS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):共享式获取资源模板
  • 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
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static final class Node {
// 标识节点当前在共享模式下
static final Node SHARED = new Node();
// 标识节点当前在独占模式下
static final Node EXCLUSIVE = null;

// 表示此线程取消了争抢这个锁
static final int CANCELLED = 1;

// 表示当前node的后继节点对应的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL = -1;

static final int CONDITION = -2;

static final int PROPAGATE = -3;

// 取值为上面的1、-1、-2、-3,或者0
// 如果这个值 大于0 : 代表此线程取消了等待,
volatile int waitStatus;
// 前驱节点的引用
volatile Node prev;
// 后继节点的引用
volatile Node next;
// 这个就是线程本尊
volatile Thread thread;
}
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public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;

// 条件队列的第一个节点
private transient Node firstWaiter;

// 条件队列的最后一个节点
private transient Node lastWaiter;
......
}
  • await():实现了condition接口中的await方法

  • awaitNanos(long nanosTimeout):实现定时条件等待

  • awaitUntil(Date deadline):实现定时的等待

  • await(long time, TimeUnit unit)

  • signal():发出信号,将一个队列中的等待的线程唤醒

  • doSignal(Node first):将链表中的第一个Node变成null。之后将链表后面Node前移

  • signalAll():发出信号,将队列中的全部等待Node都唤醒

  • doSignalAll(Node first):将队列中的全部Node都清空,并挨个调用transferForSignal方法

3. AQS源码

3.1 线程抢锁

ReentrantLock的默认实现FairSync类的lock方法开始讲起。

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public final void acquire(int arg) { 
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {
selfInterrupt();
}
}
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// 尝试直接获取锁
// 返回true代表是否获取到锁:
// 1.没有线程在等待锁;
// 2.重入锁,线程本来就持有锁,也就可以理所当然可以直接获取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 1. state == 0表示:此时此刻没有线程持有锁
if (c == 0) {
// 判断线程是否需要排队,不需要排队则返回false
if (!hasQueuedPredecessors() &&
// 如果没有线程在等待,那就用CAS尝试一下,
// 成功了就获取到锁了,
// 不成功的话,只能说明一个问题,就在刚刚几乎同一时刻有个线程抢先了
compareAndSetState(0, acquires)) {

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;
}
}
// 2. 重入锁,这里不存在并发问题
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
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// 入参:Node.EXCLUSIVE,代表独占模式
// 作用:把线程包装成node,同时进入到队列中
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 把当前node加到链表的最后面去
Node pred = ta
// 队列不为空
if (pred != null) {
// 将当前的队尾节点,设置为自己的前驱
node.prev = pred;
// 用CAS把自己设置为队尾
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
// 设置双向链表
pred.next = node;
return node;
}
}
// 说明 pred==null(队列是空的) 、 CAS失败(有线程在竞争入队)
enq(node);
return node;
}
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private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
// 1. 队列是空的
if (t == null) { // Must initialize
// 初始化head节点
if (compareAndSetHead(new Node()))
// 把tail指向head,注意:这里只是设置了tail=head,这里没有return
tail = head;
} else {
// 将当前线程排到队尾,有线程竞争的话排不上重复排
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
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// 前提:已将node放入阻塞队列队尾
// 入参:当前线程包装成的node,1
// 出参:需要 返回false,
// 作用:将线程挂起,然后被唤醒后去获取锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// p == head 说明当前节点的前驱是head
// 当前节点可以去试抢一下锁,为什么呢?
// 首先,它是队头,这个是第一个条件,其次,当前的head有可能是刚刚初始化的node,
// enq(node) 方法里面有提到,head是延时初始化的,而且new Node()的时候没有设置任何线程
// 即:当前的head不属于任何一个线程,所以node作为队头,可以去尝试操作state
// tryAcquire简单用CAS试操作一下state
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 走到这里,说明:
// 要么当前node本来就不是队头,
// 要么就是tryAcquire(arg)没有抢赢别人
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
/**
* private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
* LockSupport.park(this);
* return Thread.interrupted();
* }
**/
interrupted = true;
}
} finally {
// 什么时候 failed 会为 true ?
// tryAcquire() 方法抛异常的情况
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
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// 作用:当前线程没有抢到锁,是否需要挂起当前线程?
// 入参:
// 第一个参数是前驱节点,
// 第二个参数才是代表当前线程的节点
// 出参:
// 返回true, 说明前驱节点的waitStatus==-1,那么当前线程需要被挂起,等待以后被唤醒
// 返回false, 说明当前不需要被挂起
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 前驱节点的 waitStatus == -1 ,说明前驱节点状态正常
if (ws == Node.SIGNAL)
// 当前线程需要挂起,直接可以返回true
return true;

// 前驱节点 waitStatus大于0 : 说明前驱节点取消了排队。
// 进入阻塞队列排队的线程会被挂起,而唤醒的操作是由前驱节点完成的。
// 将当前节点的prev指向waitStatus<=0的节点,往前遍历找前驱节点
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;

} else {
// 首次进入,前驱节点是之前的 tail,那么它的 waitStatus 应该是 0
// 用CAS将前驱节点的waitStatus设置为Node.SIGNAL(也就是-1)
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
// 这个方法返回 false,那么会再走一次 for 循序,
// 然后再次进来此方法,此时会从第一个分支返回 true
return false;
}

3.2 解锁

正常情况下,如果线程没获取到锁,线程会被 LockSupport.park(this); 挂起停止,等待被唤醒。

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public void unlock() {
sync.release(1);
}
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public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
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protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 是否完全释放锁
boolean free = false;
// 如果c==0,也就是说没有嵌套锁了,可以释放了,否则还不能释放掉
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
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// 作用:唤醒后继节点
// 入参:参数node是head头结点
private void unparkSuccessor(Node node) {

int ws = node.waitStatus;
// 如果head节点当前waitStatus<0, 将其修改为0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

// 下面开始 唤醒后继节点,但是有可能后继节点取消了等待(waitStatus==1)
// 从队尾往前找,找到waitStatus<=0的所有节点中排在最前面的
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
// 从后往前找,仔细看代码,不必担心中间有节点取消(waitStatus==1)的情况
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
// 唤醒线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}

3.3 多线程调用lock()方法CLH队列的变化

首先,第一个线程调用 reentrantLock.lock(),tryAcquire(1) 直接就返回 true 。只是设置了 state=1,连 head 都没有初始化,更谈不上什么阻塞队列了。

其次,如果线程 1 没有调用 unlock() 之前,线程 2 调用了 lock(),

线程 2 会初始化 head【new Node()】,同时线程 2 也会插入到阻塞队列并挂起 (注意看这里是一个 for 循环,而且设置 head 和 tail 的部分是不 return 的,只有入队成功才会跳出循环)

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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;
}
}
}
}
  • a. 线程 2 初始化 head 节点,此时 head==tail, waitStatus==0

aqs-1

  • b. 线程 2 入队:

aqs-2

注意:shouldParkAfterFailedAcquire 这个方法的时候,线程 2 会把前驱节点,也就是 head 的waitStatus设置为 -1。

  • c. 线程 3 此时再进来,直接插到线程 2 的后面就可以了,此时线程 3 的 waitStatus 是 0,到 shouldParkAfterFailedAcquire 方法的时候把前驱节点线程 2 的 waitStatus 设置为 -1。

aqs-3

4. ConditionObject源码

生产者和消费者的例子

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class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
// condition 依赖于 lock 来产生
final Condition notFull = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();

final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;

// 生产
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await(); // 队列已满,等待,直到 not full 才能继续生产
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal(); // 生产成功,队列已经 not empty 了,发个通知出去
} finally {
lock.unlock();
}
}

// 消费
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await(); // 队列为空,等待,直到队列 not empty,才能继续消费
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal(); // 被我消费掉一个,队列 not full 了,发个通知出去
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

condition 是依赖于 ReentrantLock 的,不管是调用 await 进入等待还是 signal 唤醒,都必须获取到锁才能进行操作

每个 ReentrantLock 实例可以通过调用多次 newCondition 产生多个 ConditionObject 的实例:

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final ConditionObject newCondition() {
// 实例化一个 ConditionObject
return new ConditionObject();
}
  1. 条件队列和阻塞队列的节点,都是 Node 的实例,条件队列的节点是需要转移到阻塞队列中去的;
  2. 一个 ReentrantLock 实例可以通过多次调用 newCondition() 来产生多个 Condition 实例,这里对应 condition1 和 condition2。注意,ConditionObject 只有两个属性 firstWaiter 和 lastWaiter;
  3. 每个 condition 有一个关联的条件队列,如线程 1 调用 condition1.await() 方法即可将当前线程 1 包装成 Node 后加入到条件队列中,然后阻塞在这里,不继续往下执行,条件队列是一个单向链表;
  4. 调用condition1.signal() 触发一次唤醒,此时唤醒的是队头,会将condition1 对应的条件队列的 firstWaiter(队头) 移到阻塞队列的队尾,等待获取锁,获取锁后 await 方法才能返回,继续往下执行

4.1 await()方法

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public final void await() throws InterruptedException {
// 既然该方法要响应中断,那么在最开始就判断中断状态
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();

// 1. 添加到 condition 的条件队列中
Node node = addConditionWaiter();

// 2. 释放锁,返回值是释放锁之前的 state 值
// await() 之前,当前线程是必须持有锁的,这里肯定要释放掉
int savedState = fullyRelease(node);

int interruptMode = 0;
// 这里退出循环有两种情况,之后再仔细分析
// 1. isOnSyncQueue(node) 返回 true,即当前 node 已经转移到阻塞队列了
// 2. checkInterruptWhileWaiting(node) != 0 会到 break,然后退出循环,代表的是线程中断
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 被唤醒后,将进入阻塞队列,等待获取锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

4.1.1 将节点加入到条件队列-addConditionWaiter()-unlinkCancelledWaiters()

addConditionWaiter() 是将当前节点加入到条件队列

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// 将当前线程对应的节点入队,插入队尾
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// 如果条件队列的最后一个节点取消了,将其清除出去
// 为什么这里把 waitStatus 不等于 Node.CONDITION,就判定为该节点发生了取消排队?
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
// 这个方法会遍历整个条件队列,然后会将已取消的所有节点清除出队列
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// node 在初始化的时候,指定 waitStatus 为 Node.CONDITION
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);

// t 此时是 lastWaiter,队尾
// 如果队列为空
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}

在addWaiter 方法中,有一个 unlinkCancelledWaiters() 方法,该方法被调用的场景:当 await 的时候如果发生了取消操作(这点之后会说)或者是在节点入队的时候,发现最后一个节点是被取消的。该方法用于清除队列中已经取消等待的节点。

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// 等待队列是一个单向链表,遍历链表将已经取消等待的节点清除出去
private void unlinkCancelledWaiters() {
Node t = firstWaiter;
Node trail = null;
while (t != null) {
Node next = t.nextWaiter;
// 如果节点的状态不是 Node.CONDITION 的话,这个节点就是被取消的
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
t.nextWaiter = null;
if (trail == null)
firstWaiter = next;
else
trail.nextWaiter = next;
if (next == null)
lastWaiter = trail;
}
else
trail = t;
t = next;
}
}

4.1.2 完全释放独占锁-fullyRelease(Node node)

回到 wait 方法,节点入队了以后,会调用 int savedState = fullyRelease(node); 方法释放锁,注意,这里是完全释放独占锁(fully release),因为 ReentrantLock 是可以重入的。

考虑一下这里的 savedState。如果在 condition1.await() 之前,假设线程先执行了 2 次 lock() 操作,那么 state 为 2,我们理解为该线程持有 2 把锁,这里 await() 方法必须将 state 设置为 0,然后再进入挂起状态,这样其他线程才能持有锁。当它被唤醒的时候,它需要重新持有 2 把锁,才能继续下去。

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// 首先,我们要先观察到返回值 savedState 代表 release 之前的 state 值
// 对于最简单的操作:先 lock.lock(),然后 condition1.await()。
// 那么 state 经过这个方法由 1 变为 0,锁释放,此方法返回 1
// 相应的,如果 lock 重入了 n 次,savedState == n
// 如果这个方法失败,会将节点设置为"取消"状态,并抛出异常 IllegalMonitorStateException
final int fullyRelease(Node node) {
boolean failed = true;
try {
int savedState = getState();
// 这里使用了当前的 state 作为 release 的参数,也就是完全释放掉锁,将 state 置为 0
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}

考虑一下,如果一个线程在不持有 lock 的基础上,就去调用 condition1.await() 方法,它能进入条件队列,但是在上面的这个方法中,由于它不持有锁,release(savedState) 这个方法肯定要返回 false,进入到异常分支,然后进入 finally 块设置 node.waitStatus = Node.CANCELLED,这个已经入队的节点之后会被后继的节点”请出去“。

4.1.3 等待进入阻塞队列

释放掉锁以后,接下来是这段,这边会自旋,如果发现自己还没到阻塞队列,那么挂起,等待被转移到阻塞队列。

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int interruptMode = 0;
// 如果不在阻塞队列中,注意了,是阻塞队列
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 线程挂起
LockSupport.park(this);

// 这里可以先不用看了,等看到它什么时候被 unpark 再说
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}

isOnSyncQueue(Node node) 用于判断节点是否已经转移到阻塞队列了:

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// 在节点入条件队列的时候,初始化时设置了 waitStatus = Node.CONDITION
// 前面我提到,signal 的时候需要将节点从条件队列移到阻塞队列,
// 这个方法就是判断 node 是否已经移动到阻塞队列了
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {

// 移动过去的时候,node 的 waitStatus 会置为 0,这个之后在说 signal 方法的时候会说到
// 如果 waitStatus 还是 Node.CONDITION,也就是 -2,那肯定就是还在条件队列中
// 如果 node 的前驱 prev 指向还是 null,说明肯定没有在 阻塞队列(prev是阻塞队列链表中使用的)
if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
return false;
// 如果 node 已经有后继节点 next 的时候,那肯定是在阻塞队列了
if (node.next != null)
return true;

// 下面这个方法从阻塞队列的队尾开始从后往前遍历找,如果找到相等的,说明在阻塞队列,否则就是不在阻塞队列

// 可以通过判断 node.prev() != null 来推断出 node 在阻塞队列吗?答案是:不能。
// 这个可以看上篇 AQS 的入队方法,首先设置的是 node.prev 指向 tail,
// 然后是 CAS 操作将自己设置为新的 tail,可是这次的 CAS 是可能失败的。

return findNodeFromTail(node);
}

// 从阻塞队列的队尾往前遍历,如果找到,返回 true
private boolean findNodeFromTail(Node node) {
Node t = tail;
for (;;) {
if (t == node)
return true;
if (t == null)
return false;
t = t.prev;
}
}

回到前面的循环,isOnSyncQueue(node) 返回 false 的话,那么进到 LockSupport.park(this):线程挂起。

4.2 signal()

LockSupport.park(this); 把线程挂起了,等待唤醒。

唤醒操作通常由另一个线程来操作,就像生产者-消费者模式中,如果线程因为等待消费而挂起,那么当生产者生产了一个东西后,会调用 signal 唤醒正在等待的线程来消费。

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// 唤醒等待了最久的线程
// 其实就是,将这个线程对应的 node 从条件队列转移到阻塞队列
public final void signal() {
// 调用 signal 方法的线程必须持有当前的独占锁
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}

// 从条件队列队头往后遍历,找出第一个需要转移的 node
// 因为前面我们说过,有些线程会取消排队,但是可能还在队列中
private void doSignal(Node first) {
do {
// 将 firstWaiter 指向 first 节点后面的第一个,因为 first 节点马上要离开了
// 如果将 first 移除后,后面没有节点在等待了,那么需要将 lastWaiter 置为 null
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
// 因为 first 马上要被移到阻塞队列了,和条件队列的链接关系在这里断掉
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
// 这里 while 循环,如果 first 转移不成功,那么选择 first 后面的第一个节点进行转移,依此类推
}

// 将节点从条件队列转移到阻塞队列
// true 代表成功转移
// false 代表在 signal 之前,节点已经取消了
final boolean transferForSignal(Node node) {

// CAS 如果失败,说明此 node 的 waitStatus 已不是 Node.CONDITION,说明节点已经取消,
// 既然已经取消,也就不需要转移了,方法返回,转移后面一个节点
// 否则,将 waitStatus 置为 0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;

// enq(node): 自旋进入阻塞队列的队尾
// 注意,这里的返回值 p 是 node 在阻塞队列的前驱节点
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// ws > 0 说明 node 在阻塞队列中的前驱节点取消了等待锁,直接唤醒 node 对应的线程。唤醒之后会怎么样,后面再解释
// 如果 ws <= 0, 那么 compareAndSetWaitStatus 将会被调用,上篇介绍的时候说过,节点入队后,需要把前驱节点的状态设为 Node.SIGNAL(-1)
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
// 如果前驱节点取消或者 CAS 失败,会进到这里唤醒线程,之后的操作看下一节
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}

正常情况下,ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 这句中,ws <= 0,而且 compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 会返回 true,所以一般也不会进去 if 语句块中唤醒 node 对应的线程。然后这个方法返回 true,也就意味着 signal 方法结束了,节点进入了阻塞队列。

假设发生了阻塞队列中的前驱节点取消等待,或者 CAS 失败,只要唤醒线程,让其进到下一步即可。

4.2.1 唤醒后检查中断状态

上一步 signal 之后,我们的线程由条件队列转移到了阻塞队列,之后就准备获取锁了。只要重新获取到锁了以后,继续往下执行。

等线程从挂起中恢复过来,继续往下看

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int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 线程挂起
LockSupport.park(this);

if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}

interruptMode 可以取值为 REINTERRUPT(1),THROW_IE(-1),0

  • REINTERRUPT: 代表 await 返回的时候,需要重新设置中断状态
  • THROW_IE: 代表 await 返回的时候,需要抛出 InterruptedException 异常
  • 0 :说明在 await 期间,没有发生中断

有以下三种情况会让 LockSupport.park(this); 这句返回继续往下执行:

  1. 常规路径。signal -> 转移节点到阻塞队列 -> 获取了锁(unpark)
  2. 线程中断。在 park 的时候,另外一个线程对这个线程进行了中断
  3. 转移以后的前驱节点取消了,或者对前驱节点的CAS操作失败了
  4. 假唤醒。这个也是存在的,和 Object.wait() 类似,都有这个问题

线程唤醒后第一步是调用 checkInterruptWhileWaiting(node) 这个方法,此方法用于判断是否在线程挂起期间发生了中断,如果发生了中断,是 signal 调用之前中断的,还是 signal 之后发生的中断。

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// 1. 如果在 signal 之前已经中断,返回 THROW_IE
// 2. 如果是 signal 之后中断,返回 REINTERRUPT
// 3. 没有发生中断,返回 0
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
return Thread.interrupted() ?
(transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
0;
}

Thread.interrupted():如果当前线程已经处于中断状态,则返回 true,同时将中断状态重置为 false,所以,才有后续的 重新中断(REINTERRUPT) 的使用。

看看怎么判断是 signal 之前还是之后发生的中断:

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// 只有线程处于中断状态,才会调用此方法
// 如果需要的话,将这个已经取消等待的节点转移到阻塞队列
// 返回 true:如果此线程在 signal 之前被取消,
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
// 用 CAS 将节点状态设置为 0
// 如果这步 CAS 成功,说明是 signal 方法之前发生的中断,因为如果 signal 先发生的话,signal 中会将 waitStatus 设置为 0
if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
// 将节点放入阻塞队列
// 这里我们看到,即使中断了,依然会转移到阻塞队列
enq(node);
return true;
}

// 到这里是因为 CAS 失败,肯定是因为 signal 方法已经将 waitStatus 设置为了 0
// signal 方法会将节点转移到阻塞队列,但是可能还没完成,这边自旋等待其完成
// 当然,这种事情还是比较少的吧:signal 调用之后,没完成转移之前,发生了中断
while (!isOnSyncQueue(node))
Thread.yield();
return false;
}

这里再说一遍,即使发生了中断,节点依然会转移到阻塞队列。

到这里,大家应该都知道这个 while 循环怎么退出了吧。要么中断,要么转移成功。

这里描绘了一个场景,本来有个线程,它是排在条件队列的后面的,但是因为它被中断了,那么它会被唤醒,然后它发现自己不是被 signal 的那个,但是它会自己主动去进入到阻塞队列。

4.2.2 获取独占锁

while 循环出来以后,下面是这段代码:

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

由于 while 出来后,我们确定节点已经进入了阻塞队列,准备获取锁。

这里的 acquireQueued(node, savedState) 的第一个参数 node 之前已经经过 enq(node) 进入了队列,参数 savedState 是之前释放锁前的 state,这个方法返回的时候,代表当前线程获取了锁,而且 state == savedState了。

注意,前面我们说过,不管有没有发生中断,都会进入到阻塞队列,而 acquireQueued(node, savedState) 的返回值就是代表线程是否被中断。如果返回 true,说明被中断了,而且 interruptMode != THROW_IE,说明在 signal 之前就发生中断了,这里将 interruptMode 设置为 REINTERRUPT,用于待会重新中断。

继续往下:

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if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);

node.nextWaiter != null 怎么满足?signal 的时候会将节点转移到阻塞队列,有一步是 node.nextWaiter = null,将断开节点和条件队列的联系。

可是,在判断发生中断的情况下,是 signal 之前还是之后发生的? 如果 signal 之前就中断了,也需要将节点进行转移到阻塞队列,这部分转移的时候,是没有设置 node.nextWaiter = null 的。如果有节点取消,也会调用 unlinkCancelledWaiters 这个方法,就是这里了。

4.2.3 处理中断状态

interruptMode 作用:

  • 0:什么都不做,没有被中断过;
  • THROW_IE:await 方法抛出 InterruptedException 异常,因为它代表在 await() 期间发生了中断;
  • REINTERRUPT:重新中断当前线程,因为它代表 await() 期间没有被中断,而是 signal() 以后发生的中断
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    private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
    throws InterruptedException {
    if (interruptMode == THROW_IE)
    throw new InterruptedException();
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
    selfInterrupt();
    }

5. 带超时机制的 await

带超时机制的 await 方法:

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public final long awaitNanos(long nanosTimeout) 
throws InterruptedException
public final boolean awaitUntil(Date deadline)
throws InterruptedException
public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException
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public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
// 等待这么多纳秒
long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
// 当前时间 + 等待时长 = 过期时间
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
// 用于返回 await 是否超时
boolean timedout = false;
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 时间到啦
if (nanosTimeout <= 0L) {
// 这里因为要 break 取消等待了。取消等待的话一定要调用 transferAfterCancelledWait(node) 这个方法
// 如果这个方法返回 true,在这个方法内,将节点转移到阻塞队列成功
// 返回 false 的话,说明 signal 已经发生,signal 方法将节点转移了。也就是说没有超时嘛
timedout = transferAfterCancelledWait(node);
break;
}
// spinForTimeoutThreshold 的值是 1000 纳秒,也就是 1 毫秒
// 也就是说,如果不到 1 毫秒了,那就不要选择 parkNanos 了,自旋的性能反而更好
if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
// 得到剩余时间
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
return !timedout;
}

超时的思路还是很简单的,不带超时参数的 await 是 park,然后等待别人唤醒。而现在就是调用 parkNanos 方法来休眠指定的时间,醒来后判断是否 signal 调用了,调用了就是没有超时,否则就是超时了。超时的话,自己来进行转移到阻塞队列,然后抢锁。

6. 不抛出 InterruptedException 的 await

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public final void awaitUninterruptibly() {
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
boolean interrupted = false;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted())
interrupted = true;
}
if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
selfInterrupt();
}

7. AQS取消排队

7.1 不处理中断

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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);
}
}

首先,到这个方法的时候,节点一定是入队成功的。

我把 parkAndCheckInterrupt() 代码贴过来:

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private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

这两段代码联系起来看,是不是就清楚了。

如果我们要取消一个线程的排队,我们需要在另外一个线程中对其进行中断。比如某线程调用 lock() 老久不返回,我想中断它。一旦对其进行中断,此线程会从 LockSupport.park(this); 中唤醒,然后 Thread.interrupted(); 返回 true。

我们发现一个问题,即使是中断唤醒了这个线程,也就只是设置了 interrupted = true 然后继续下一次循环。而且,由于 Thread.interrupted(); 会清除中断状态,第二次进 parkAndCheckInterrupt 的时候,返回会是 false。

所以,在这个方法中,interrupted 只是用来记录是否发生了中断,然后用于方法返回值,其他没有做任何相关事情。

我们看外层方法怎么处理 acquireQueued 返回 false 的情况。

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

所以说,lock() 方法处理中断的方法就是,你中断归中断,我抢锁还是照样抢锁,几乎没关系,只是我抢到锁了以后,设置线程的中断状态而已,也不抛出任何异常出来。调用者获取锁后,可以去检查是否发生过中断,也可以不理会。

7.2 处理中断

我们来看 ReentrantLock 的另一个 lock 方法:

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public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}

方法上多了个 throws InterruptedException

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public final void acquireInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (!tryAcquire(arg))
doAcquireInterruptibly(arg);
}

继续往里:

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private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
// 就是这里了,一旦异常,马上结束这个方法,抛出异常。
// 这里不再只是标记这个方法的返回值代表中断状态
// 而是直接抛出异常,而且外层也不捕获,一直往外抛到 lockInterruptibly
throw new InterruptedException();
}
} finally {
// 如果通过 InterruptedException 异常出去,那么 failed 就是 true 了
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

顺便说说 cancelAcquire 这个方法:

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private void cancelAcquire(Node node) {
if (node == null)
return;
node.thread = null;
// 找一个合适的前驱。其实就是将它前面的队列中已经取消的节点都”请出去“
Node pred = node.prev;
while (pred.waitStatus > 0)
node.prev = pred = pred.prev;

Node predNext = pred.next;

node.waitStatus = Node.CANCELLED;

if (node == tail && compareAndSetTail(node, pred)) {
compareAndSetNext(pred, predNext, null);
} else {

int ws;
if (pred != head &&
((ws = pred.waitStatus) == Node.SIGNAL ||
(ws <= 0 && compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL))) &&
pred.thread != null) {
Node next = node.next;
if (next != null && next.waitStatus <= 0)
compareAndSetNext(pred, predNext, next);
} else {
unparkSuccessor(node);
}
node.next = node; // help GC
}
}

节点取消,要把 waitStatus 设置为 Node.CANCELLED,会有非常多的情况被从阻塞队列中请出去,主动或被动。


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