【Java併發編程】AQS(2)——獨佔鎖的獲取

今天是4月4日，清明節第一天，互聯網一片灰白，大家都在緬懷逝者，致敬英烈。所以今天我也沒有過多的娛樂，一天都在鼓搗這篇文章。今天這篇主要說說AQS獨佔鎖的獲取。

AQS中對獨佔鎖的獲取一共有三個方法，今天主要說第一個

acquire：不響應中斷獲取獨佔鎖
acquireInterruptibly：響應中斷獲取獨佔鎖
tryAcquireNanos：響應中斷+超時獲取獨佔鎖

acquire方法，即在獨佔模式下獲取鎖，並且忽略中斷。它至少調用一次tryAcquire方法去獲取鎖，如果成功則直接返回，否則線程將被包裝成節點(即AQS內部類Node) 進入同步隊列，並且其可能反覆阻塞和解除阻塞，並調用tryAcquire去獲取鎖，直到最後成功。

上面這段話詳細介紹了acquire方法的執行過程，如果不理解沒關係，等看完下面的源碼解讀後，一切就清晰了


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

上面的源碼不太直觀，也不方便我後續講解，所以在不改變邏輯的前提下我將源碼改寫如下：

public final void acquire(int arg) {
   if (tryAcquire(arg)) { return; }
   Node node = addWaiter((Node.EXCLUSIVE), arg)
   if (acquireQueued(node)
      selfInterrupt();
}

我們可以看到，就四個方法，看上去是不是很簡單，所以接下來我們就將依次解讀上面四個方法

1 tryAcquire

我在"併發三板斧"已經說過，tryAcquire方法是AQS中的模板方法，是需要子類重寫實現的，其主要功能就是獲取鎖。當我們獲取到鎖時，返回true，acquire方法就直接return結束了；如果沒拿到鎖，返回false，調用入隊方法addWaiter。下面是tryAcquire的源碼

protected boolean tryAcquire(int arg) {
   throw new UnsupportedOperationException();
}

我們需要注意的是tryAcquire並不是一個抽象方法，而是拋了一個不支持運行的異常，這是爲什麼呢？其實很簡單，還記得"併發三板斧"文章中說的，不同的模式只需要重寫特定的方法嗎？繼承AQS的子類並不是所有的基本方法都需要重寫，而是按需重寫，如果基本方法都定義成抽象方法，則我們在實現AQS子類時就要重寫一些並不需要用到的方法

2 addWaiter

當獲取鎖失敗後，我們就會調用此方法，此方法主要功能是將獲取鎖失敗的線程包裝成Node放入等待隊列中，即入隊操作（ps：等待隊列是FIFO隊列，出隊在head端，入隊在tail端），下面是源碼

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;
}

我們首先會將當前線程和Node.EXCLUSIVE標誌位構造成一個Node。然後將pre指向尾結點tail，然後判斷pre是否爲null

如果爲null，說明同步隊列未初始化，則此時是沒有Node(準確的說是Node裏的線程，後面統一用Node來表示)在等待鎖，則我們會調用enq方法進行隊列初始化，然後重新入隊

如果不爲null，說明隊列不爲空，則我們就會進入第一個if分支內，嘗試將節點放入同步隊列的隊尾

首先，node.prev = pred 我們將要入隊的Node的前驅Node指向原來的尾結點pred，此時的隊列結構圖如下：

真的是如上圖所示嗎？不一定哈，上圖是在沒有併發的情況下，如果在併發的情況下，則可能如下圖所示：

此時可能有幾個節點都在進行入隊，且都走到了node.prev = pred 這一步，將自己的前驅節點指向了尾結點pred，所以下面就到了CAS發揮作用的時候啦

compareAndSetTail(pred, node)

此時只有一個節點會操作成功，我們假設中間的Node成功執行了這個操作，則此時變爲

則中間這個Node持有的線程會進入到第二個if分支內，完成Node入隊的剩餘操作，即pred的後繼Node指向tail，然後返回此Node。最上和最下這兩個操作失敗的節點則不會進入if分支內，而是調用enq方法，進行重新入隊操作

2.1 enq

在addWaiter方法解讀中我們看到了，有兩種情況我們會進入enq方法，第一種是同步隊列未初始化，第二種是在併發情況下入隊失敗。我們來看源碼

private Node enq(final Node node) {
   for (;;) {
       Node t = tail;
       // 隊列爲空, 初始化隊列操作，即將head和tail指向一個空節點
       if (t == null) { // Must initialize
           if (compareAndSetHead(new Node()))
               tail = head;
       } else {
       // 隊列不爲空
       // 併發下，cas操作可能會失敗，所以通過for循環不斷j進行入隊，直到成功爲止
           node.prev = t;
           if (compareAndSetTail(t, node)) {
               t.next = node;
               return t;
           }
       }
   }
}

if分支是處理隊列爲空的情況，即初始化隊列

else分支是處理入隊失敗的情況，這個入隊和addWaiter中的入隊是一模一樣的，所以也是會失敗的，但是我們可以看到，這裏有個for循環自旋，所以當我們入隊失敗後會再次嘗試，一直到入隊成功

這裏還需要特別注意的是，enq返回的是入隊Node的前驅節點，這裏大家有個印象就行了，這裏並沒涉及這個注意點，因爲addAwaiter方法中調用enq是沒有接受返回值的

3 acquireQueued

我們通過addWaiter入隊成功後，就會調用此方法，此方法的主要功能是掛起剛入隊Node中的線程，然後等待被喚醒再去獲取鎖。但需要注意的是，在掛起線程之前，如果滿足一定條件，此線程還會再次去獲取鎖，失敗後才掛起線程。滿足的是什麼條件呢？我們通過源碼來分析


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);
   }
}

acquireQueued方法中有兩個標誌變量：failed和interrupted，他們分別代表拿鎖失敗標誌和線程被中斷標誌，兩者爲true時分別代表拿鎖失敗和中斷成功。

我們首先會將這兩個標誌位初始化，然後我們就會進入for循環自旋。首先我們會找到入隊Node的前驅Node，然後進入第一個if判斷：判斷前驅Node是否是頭結點head，如果是，則說明入隊的Node在同步隊列的第一個，前面沒有等待的Node了，此時我們會調用tryAcquire方法來再一次獲取鎖，獲取成功後，我們進入第一個if分支中（現在大家應該知道在什麼情況下會再次去嘗試拿鎖了吧）

第一個if分支中的主要操作是更新head，即將head指向此時的Node，然後將Node中的前驅Node和線程置爲null，使得此Node變爲一個虛擬頭結點，最後再更新兩個標誌位並返回interrupted

如果此入隊Node的前驅Node不是head或者在第一個if判斷中拿鎖失敗，我們就會進入第二個if判斷，第二個if判斷中我們會先執行shouldParkAfterFailedAcquire方法

3.1 shouldParkAfterFailedAcquire

看這個方法名也能明白其功能：檢查Node中的線程是否需要被掛起，如果返回true則說明需要掛起，然後執行後續掛起方法parkAndCheckInterrupt，否則重新自旋。我們需要注意兩點

走到這個方法的線程，都已經調用tryAcquire一次或多次失敗了
此方法不僅僅判斷線程能否被掛起，它還有將同步隊列中屬性爲CANCELLED的Node移除隊列的功能

我們看源碼：

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
   int ws = pred.waitStatus;
   if (ws == Node.SIGNAL)
       return true;
   if (ws > 0) {
       do {
           node.prev = pred = pred.prev;
       } while (pred.waitStatus > 0);
       pred.next = node;
   } else {
       compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
   }
   return false;
}

"併發三板斧"中我們說過Node一共有五種狀態，其中獨佔模式下會使用三種狀態：CANCELLED、SIGNAL、初始狀態0，我們可以看到上面的代碼也是三段分支。首先我們會拿到此節點的前驅節點狀態，爲什麼是前驅Node的狀態？因爲在獨佔模式下，Node是否能夠被掛起的依據是它前驅節點是否爲SIGNAL，爲SIGNAL時才能被掛起

前驅節點狀態爲SIGNAL，直接返回true
前驅節點狀態爲CANCELLED（ws>0）,則移除這些節點，返回false
其他情況則將前驅節點的狀態改爲SIGNAL，返回false

我們看到，只有當前驅節點爲SIGNAL才返回true；其餘情況都返回false，然後回到acquireQueued方法中自旋重新執行

3.2 parkAndCheckInterrupt

如果shouldParkAfterFailedAcquire返回ture，我們則通過parkAndCheckInterrupt方法來掛起線程

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

這裏我們需要注意，當執行完LockSupport.park(this)後，此線程就被掛起了，除非當其他線程調用LockSupport.unpark喚醒當前線程或者當前線程被中斷，否則後面代碼是不會執行的

假設此時線程被喚醒了，我們此時是不知道線程是被unpark方法還是中斷喚醒的，所以我們需要通過Thread類的interrupted方法來判斷。interrupted方法會返回給我們當前線程的中斷標誌位，並將中斷標誌位復位，即置爲false。如果我們是中斷喚醒的，則返回true，然後會進入acquireQueued的第二個If分支中將interrupted置爲true。然後再次進入for循環自旋，看是獲取鎖還是又被掛起。

最後acquiredQueued方法只會存在兩種情況，第一種是獲取鎖然後返回interrupted標誌位，第二種出現異常，執行finally中if分支的cancelAcquire方法（注意，獲取鎖成功是不會執行cancelAcquire的，因爲failed標誌位爲false）

4 selfInterrupt

我們最後返回到acquire方法，如果acquire返回的是true，說明Node是被中斷喚醒的，則會調用selfInterrupt方法再一次調用中斷

static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

爲啥還要執行中斷呢？還記得文章開頭我們是怎麼介紹acquire這個方法的嗎？acquire方法是在獨佔模式下不響應中斷獲取鎖的方法。如果在parkAndCheckInterrupt方法中線程是被中斷喚醒的，我們還是會繼續回到acquiredQueued中去搶鎖然後執行

當然interrupte這個方法也只是將當先線程的中斷標誌置爲true，至於會不會被中斷，我們也不知道

獨佔鎖的獲取我們就講完了，最後我再將文章的脈絡梳理下：

(未完）

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【Java併發編程】AQS(2)——獨佔鎖的獲取

1 tryAcquire

2 addWaiter

2.1 enq

3 acquireQueued

3.1 shouldParkAfterFailedAcquire

3.2 parkAndCheckInterrupt

4 selfInterrupt

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