Java并发编程：AbstractQueuedSynchronizer的内部结构

一 前言　　

　　虽然已经有很多前辈已经分析过AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS，也叫队列同步器）类，但是感觉那些点始终是别人的，看一遍甚至几遍终不会印象深刻。所以还是记录下来印象更深刻，还能和大家一起探讨（这就是重复造轮子的好处，另外也主要是这篇篇幅太长了，犹豫了好久才决定写作）。既然有很多前辈都分析过这个类说明它是多么的重要，下面我们看下concurrent包的实现示意图就清楚AQS的所占有的地位了。

二 什么是AQS

AbstractQueuedSynchronizer，中文简称队列同步器，英文简称AQS。它是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。从上面图可以看出AQS是实现锁或任意同步组件的关键，通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态等。

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三 AQS的内部结构

　　个人习惯喜欢先看其内部结构，因为内部结果是一个类实现的核心。经过分析得知：AQS类底层的数据结构是使用双向链表，包括head结点和tail结点，head结点主要用作后续的调度。另外还包含一个单向链表，只有当使用Condition时，才会存在此单向链表。并且可能会有多个Condition 链表（其中链表是队列的一种具体表现，所以也可称作队列）。如下图：

四 内部结构源码解析

3.1 类的继承关系

　　1、说明它是一个抽象类，就说明它可能存在抽象方法需要子类去重写实现（具体有哪些方法需要重写后续会说明）。

　　2、它还继承了AbstractOwnableSynchronizer(简称AOS)类可以设置独占资源线程和获取独占资源线程（独占锁会涉及到，AOS的源码自己可以进去看看）。

　　另外建议各位多看看类上的注释，其实还蛮有作用的。

3.2 类的内部类

 　　先分析内部类中的结构再看AQS是怎么引用它的。下面先看Node.class，主要分析都在注释上了。

/**

* Wait queue node class.

* 注意看类上的注释，上面是原注释的第一行，表示等待队列节点类（虽然实际上是一个双向链表）。

*/

static final class Node {

    /**

    * 总共分为两者模式：共享和独占

    */

    /** 在共享模式中等待的节点 */

    static final Node SHARED = new Node();

    /** 在独占模式中等待的节点 */

    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**

    * 下面几个表示节点状态，也就是waitStatus所具有可能的值。

    */

    /**

    * 标记线程处于取消状态

    * 节点进入该状态就不会变化。

    * /

    static final int CANCELLED =  1;

    /**

    * 标记后继节点的线程处于等待状态，需要被取消停放（即被唤醒unpark）。

    * 变化情况：当当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行。

    */

    static final int SIGNAL    = -1;

    /**

    * 标记线程正在等待条件（Condition）,也就是该节点处于等待队列中。

    * 变化情况：当其他线程对Condition调用了signal()方法后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中。

    */

    static final int CONDITION = -2;

    /**

    * 表示下一次共享式同步状态获取将会无条件的被传播下去。

    */

    static final int PROPAGATE = -3;

    /**

    * 节点状态，包含上面四种状态（另外还有一种初始化状态0）

    * 特别注意：它是volatile关键字修饰的，保证对其线程可见性，但是不保证原子性。

    * 所以更新状态时，采用CAS方式去更新, 如：compareAndSetWaitStatus

    */

    volatile int waitStatus;

    /**

    * 前驱节点，比如当前节点被取消，那就需要前驱节点和后继节点来完成连接。

    */

    volatile Node prev;

    /**

    * 后继节点。

    */

    volatile Node next;

    /**

    * 入队列时的当前线程。

    */

    volatile Thread thread;

    /**

    * 存储condition队列中的后继节点。

    */

    Node nextWaiter;

    /**

    * 判断是否共享模式

    */

    final boolean isShared() {

        return nextWaiter == SHARED;

    }

    /**

    * 获取前置节点，如果前置节点为空就抛出异常

    */

    final Node predecessor() throws NullPointerException {

        Node p = prev;

        if (p == null)

            throw new NullPointerException();

        else

            return p;

    }

    // 省略三个构造函数

}

　　总结下：当每个线程被阻塞时都会封装成一个Node节点，放入队列中。每个节点都包含了当前节点对应的线程、状态、前置节点引用、后继节点引用以及下一个等待者。

其中还需要注意的是waitStatus对应的各个状态代表着什么意思。

属性名称描述

int waitStatus表示节点的状态。其中包含的状态有：

CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；节点进入该状态就不会变化。

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；变化情况：当当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消，将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行。

CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；变化情况：当其他线程对Condition调用了signal()方法后，该节点将会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中。

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。

Node prev前驱节点，比如当前节点被取消，那就需要前驱节点和后继节点来完成连接。

Node next后继节点。

Thread thread入队列时的当前线程。

Node nextWaiter存储condition队列中的后继节点。

　　接下来简单看看ConditionObject的源码，后续我们会单独分析下这个类的作用。

/**

* 实现Condition接口

*/

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 AbstractQueuedSynchronizer.Node firstWaiter;

    /**

    * 条件队列的最后一个节点。

    */

    private transient AbstractQueuedSynchronizer.Node lastWaiter;

}

　　从中可以看它还是实现了Condition接口，而Condition接口又定义了什么规范呢？自己去看：），你会不会发现有点跟Object中的几个方法类似呢。

3.3 主要内部成员

// 头结点

    private transient volatile Node head;

    // 尾结点

    private transient volatile Node tail;

    // 同步状态

    private volatile int state;

五 总结

　　通过上述分析就很清楚其内部结构是什么了吧。总结下：

节点(Node)是成为sync队列和condition队列构建的基础，在同步器中就包含了sync队列（Node双向链表）。同步器拥有三个成员变量：sync队列的头结点head、sync队列的尾节点tail和状态state。对于锁的获取，请求形成节点，将其挂载在尾部，而锁资源的转移（释放再获取）是从头部开始向后进行。对于同步器维护的状态state，多个线程对其的获取将会产生一个链式的结构。