Java 并发工具 AbstractQueuedSynchronizer 实现详解，如何保证高可用

AQS 的实现要点总结如下：

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1. 用一个原子 int 变量代表同步状态

AQS 内部有一个原子 int 变量（命名为 state），它是 AQS 的核心状态，也是唯一跟同步有关的变量。例如，ReentrantLock 中 state≠0 表示锁已被占，state=0 表示锁空闲。AQS 的子类负责赋予 state 具体含义，通过覆写 tryAcquire(), tryRelease(), tryAcquireShared(), tryReleaseShared(), isHeldExclusively()来通过以乐观锁方式对 state 进行操作。并且，state 只允许通过 getState(), setState(), compareAndSetState()对其操作以保证可见性和原子性。

2. 用一个 CLH 队列存放等待线程，每个线程一个结点，分独占模式和共享模式。

CLH 队列（其实是 CLH 队列的变种）是用于实现自旋锁的队列数据结构，主体是一个链表，如下图所示。

CLH 队列

在 CLH 队列中，每个线程的等待状态（waitState 变量）保存在前一个结点中，取值可以是 1 (CANCELED，线程已经放弃等待)，-1（SIGNAL，线程已经被阻塞、需要被唤醒），-2（CONDITION，线程在条件队列中等待，这种状态的结点不可能出现在 CLH 队列，只会出现在 Condition 条件队列上），-3(PROPAGATE，下一个在共享模式中等待的线程无条件唤醒，即唤醒动作可以继续往队列后面接力)，0（就绪，这个状态代表线程没有被阻塞，并且准备好请求锁）。

3. 通过循环+CAS 操作来对 CLH 队列进行修改

因为 AQS 本身就是用于实现锁的，所以 AQS 中的 CLH 队列没有锁来保护，且必须支持并发修改。怎么办？通过循环结合 CAS 操作来实现 CLH 队列操作的线程安全性。例如 enq()，

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; } } }}

4. 加锁操作如何实现

与 CLH 队列操作很类似，加锁操作也是通过循环+CAS 操作来实现，不过还使用到了让线程阻塞的方法 LockSupport.park()。我们以不可中断的加锁操作为例，讲解其主要实现逻辑如下：在一个死循环中，首先调用乐观锁加锁操作 tryAcquire()，如果成功，则加锁操作直接返回；如果失败了，则判断当前线程结点的前一结点的 waitState：如果等于 SIGNAL，则直接进入阻塞（说明此时已经有前一个结点得到锁了），如果是 CANCELED，则清理一次 CLH 队列（把已经取消等待的线程中队列中移除）再次执行循环，如果是 0 或 PROPAGATION，则把状态改为 SIGNAL，继续执行循环。如果前面的阻塞操作被其他线程唤醒了，再次执行循环。参考代码：

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);

}

}

加锁操作其实有计时版本、可中断版本，但大体逻辑就是上面这样，只不过在循环中再进行了一些时间判断、中断标志判断等，并体现在返回结果或抛出异常上。

总结一下，AQS 的加锁操作就是在一个循环中，不断执行 CAS 加锁（成功则返回，失败则继续），然后不断阻塞和被唤醒（在每次被唤醒的时候，顺便执行一些 CLH 队列清理工作），再次执行 CAS 加锁。

5. 加锁操作优化

AQS 中的加锁操作，即 acquire()，进行了一种 barge 优化。意思就是，当锁被释放出来以后，此时正好有一个线程请求锁，而队列中的第一个线程也被唤醒并且请求锁，这两个线程谁将获得锁是不确定的。这种优化对 AQS 锁的并发性有提升，但是使得它变成不公平的锁（没有按照 FIFO 原则操作）。