AbstractQueuedSynchronizer&CountDownLatch源碼分析

前言

要看CountDownLatch源碼，你會發現其中的核心是由一個繼承了AbstractQueuedSynchronizer類的靜態內部類Sync。 實際上ReentrantLock,Semaphore等線程控制類的內部都是基於AbstractQueuedSynchronizer實現的。 先來了解一下AbstractQueuedSynchronizer。

AbstractQueuedSynchronizer(簡稱AQS)是什麼

隊列同步器:用來構建鎖或者其它同步組件的基礎框架。它內部使用一個int型成員變量state表示同步狀態,通過一個內置的FIFO隊列來完成資源獲取線程的排隊工作。

AQS就是提供了獲取鎖,FIFO排隊,釋放鎖這些邏輯的基礎框架。ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch等併發類都是基於AQS實現的。他們的內部都有一個靜態內部類繼承了AQS。

相當於就是說,ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch等併發類只是提供給使用者的門面,內部核心邏輯是由AQS實現的。

AQS源碼分析

基本介紹

AQS中的一些核心方法:

# 修改線程同步狀態的方法:
getState()： 獲取當前同步狀態
setState(int newState): 設置當前同步裝
compareAndSetState(int expect,int update):使用CAS樂觀鎖設置當前同步狀態,保證原子性

# 獨佔式/共享式獲取/釋放同步狀態：
tryAcquire(int arg) 獨佔式獲取同步狀態
tryRelease(int arg) 獨佔式釋放同步狀態
tryAcquireShared(int arg) 共享式獲取同步狀態
tryReleaseShared(int arg) 共享式釋放同步狀態
isHeldExclusively() 當前同步器釋放在獨佔模式下被線程佔用。返回true表示被當前線程獨佔

# 獲取同步隊列的相關信息
getQueuedThreads() 獲取等待在同步隊列上的線程集合

同步器依賴於內部的FIFO隊列來進行同步狀態管理。當線程獲取同步狀態失敗時，同步器會將當前線程構造成一個節點Node並加入同步隊列,並且會阻塞當前線程。當同步狀態釋放時，會把隊列中的第一個線程喚醒，使其獲取同步狀態。

同步隊列

那麼首先來看看這個同步隊列是什麼樣子的吧。 查看Node節點類:

static final class Node {
		/**標記這個節點是處於共享模式*/
        static final Node SHARED = new Node();
		/**標記這個節點是處於獨佔模式*/
        static final Node EXCLUSIVE = null;
		
        static final int CANCELLED =  1;
        static final int SIGNAL    = -1;
        static final int CONDITION = -2;
        static final int PROPAGATE = -3;
		 /**表示線程的等待狀態。
		 1表示cancelled, 表示這個等待的線程等待超時或者被中斷，需要從同步隊列中取消等待； 
		 -1表示signal,後繼節點處於等待狀態，而當前節點如果釋放了同步狀態或者被取消，將會喚醒後繼節點，使其繼續運行
		 -2表示condition,當前線程等待在condition上，當其他線程對condition調用了signal方法後，改節點就會移出等待隊列，去獲取同步狀態；
		 -3表示propagate,表示下一次共享式同步狀態將會無條件傳播下去；
		 0表示initial，初始狀態*/
        volatile int waitStatus;

       /**前一個節點*/
        volatile Node prev;

       /**後一個節點*/
        volatile Node next;

		 /**也是用來表示下一個節點。如果當前節點是共享的，那麼這個字段就是SHARED常量*/
        Node nextWaiter;

        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }

		 /**返回上一個節點*/
        final Node predecessor() throws NullPointerException {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }

        Node() {
        }

        Node(Thread thread, Node mode) {
            this.nextWaiter = mode;
            this.thread = thread;
        }

        Node(Thread thread, int waitStatus) {
            this.waitStatus = waitStatus;
            this.thread = thread;
        }
    }

可以看出,Node節點中保存了線程引用，等待狀態，是共享還是獨佔，前後節點引用等信息。

再看AQS的三個屬性:

	 /**等待隊列的頭節點*/
    private transient volatile Node head;

	 /**等待隊列的尾節點*/
    private transient volatile Node tail;

	 /**這就是表示同步狀態的屬性*/
    private volatile int state;

在AQS中維護了同步隊列的頭節點和尾節點，以及同步狀態。

所以同步隊列的結構就很清楚了：

獨佔鎖的獲取和釋放

那麼線程是怎麼被放入隊列的呢？從acquire方法開始跟蹤：

//這個方法就是嘗試獲取獨佔鎖
public final void acquire(int arg) {
       //如果獲取不到鎖，就把當前線程加入到等待隊列進行等待
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
			// 打斷當前線程，其實就是自己打斷自己
            selfInterrupt();
    }

先看一下addWaiter方法，這個方法就是給當前線程構造一個Node節點。

private Node addWaiter(Node mode) {
       //mode表示當前線程是獨佔式還是共享式
        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;
			//將當前節點加入到等待隊列的尾部
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
		//沒有尾節點的話就進行初始化
        enq(node);
        return node;
    }

下面繼續跟蹤acquireQueued方法:

//這個方法就是在死循環等待鎖
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
			    // 獲取前一個節點
                final Node p = node.predecessor();
				//如果前一個節點是頭節點，並且獲取到了鎖，那麼當前節點這隻爲頭節點，並返回。
                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);
        }
    }

也就是說，等待隊列的頭節點實際上就是當前獲得鎖的節點，後面的節點死循環一直等待。 但是隻有頭節點的後一個節點纔會不斷嘗試獲取鎖，因爲要保證FIFO順序。 新進來的線程是放在隊列尾部進行死循環等待的。

那麼實際上等待隊列是這樣的流程:

下面再跟蹤釋放鎖的過程:

//釋放獨佔鎖
 public final boolean release(int arg) {
        //判斷是否可以釋放鎖
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

這裏當waitStatus不爲0的時候，纔會調用unparkSuccessor方法去喚醒後面一個方法。

什麼場景下head節點的waitStatus不爲0呢？？

進入unparkSuccessor方法:

共享鎖的獲取和釋放

TODO 先略了，後面在補充。。。。。

CountDownLatch源碼分析

瞭解的AQS的原理，那麼看 CountDownLatch的源碼就so easy了。因爲CountDownLatch只是一個門面，核心邏輯就是AQS。