深入理解AQS--jdk层面管程实现【管程详解的补充】
什么是AQS
1.java.util.concurrent包中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这些行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）实现的，AQS是一个抽象同步框架，可以用来实现一个依赖状态的同步器。
2.JDK中提供的大多数的同步器如Lock, Latch, Barrier等，都是基于AQS框架来实现的
【1】一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
【2】将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法
AQS具备的特性：
1.阻塞等待队列 ， 2.共享/独占 ， 3.公平/非公平 ， 4.可重入 ， 5.允许中断
AQS定义两种资源共享方式
1.Exclusive-独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock（详情可查看 深入理解ReentrantLock类锁）
2.Share-共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch
AQS定义两种队列
1.同步等待队列【主要用于维护获取锁失败时入队的线程】
【1】AQS当中的同步等待队列也称CLH队列，CLH队列是Craig、Landin、Hagersten三人发明的一种基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。
【2】AQS 依赖CLH同步队列来完成同步状态的管理：
1）当前线程如果获取同步状态失败时，AQS则会将当前线程已经等待状态等信息构造成一个节点（Node）并将其加入到CLH同步队列，同时会阻塞当前线程
2）当同步状态释放时，会把首节点唤醒（公平锁），使其再次尝试获取同步状态。
3）通过signal或signalAll将条件队列中的节点转移到同步队列。（由条件队列转化为同步队列）
【3】图示：
2.条件等待队列【调用await()的时候会释放锁，然后线程会加入到条件队列，调用signal()唤醒的时候会把条件队列中的线程节点移动到同步队列中，等待再次获得锁】
【1】AQS中条件队列是使用单向列表保存的，用nextWaiter来连接:
1）调用await方法阻塞线程；
2）当前线程存在于同步队列的头结点，调用await方法进行阻塞（从同步队列转化到条件队列）
3.AQS 定义了5个队列中节点状态：
1）值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。
2）CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消；
3）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；
4）CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中；
5）PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行；
源码详解（将源码拆分为三块，抽象同步器AbstractQueuedSynchronizer类，节点Node类，条件对象ConditionObject类）
AbstractQueuedSynchronizer类解析
1.属性值解析
//用链表来表示队列 private transient volatile Node head; private transient volatile Node tail; private volatile int state; //可以表示锁的加锁状态【独占锁只为1，共享锁可以大于1】，又可以表示锁的重入次数，0为没有加锁
2.方法解析
//定义了主体的大体逻辑，如入队，如尝试加锁 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; } protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } //模板方法的处理，如果子类没有实现，则子类中调用的话会报错 //提供给子类去实现的公平与非公平的逻辑 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } //释放锁的逻辑 protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
Node类详解
1.代码展示
static final class Node { static final Node SHARED = new Node(); // 共享模式标记 static final Node EXCLUSIVE = null; // 独占模式标记 static final int CANCELLED = 1; static final int SIGNAL = -1; static final int CONDITION = -2; static final int PROPAGATE = -3; //值为0，初始化状态，表示当前节点在sync队列中，等待着获取锁。 //CANCELLED，值为1，表示当前的线程被取消； //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； //CONDITION，值为-2，表示当前节点在等待condition，也就是在condition队列中； //PROPAGATE，值为-3，表示当前场景下后续的acquireShared能够得以执行； volatile int waitStatus; volatile Node prev;//前驱结点 volatile Node next;//后继结点 volatile Thread thread; //与节点绑定的线程 Node nextWaiter; // 存储condition队列中的后继节点 final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; } final Node predecessor() throws NullPointerException { Node p = prev; if (p == null) throw new NullPointerException(); else return p; } Node() {} Node(Thread thread, Node mode) { // Used by addWaiter this.nextWaiter = mode; this.thread = thread; } Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition this.waitStatus = waitStatus; this.thread = thread; } }
Condition接口详解
1.代码展示
//Condition用来替代synchronized锁的监视器的功能，而且更加灵活 //一个Condition实例需要与一个lock进行绑定 public interface Condition { //调用此方法的线程将加入等待队列，阻塞直到被通知或者线程中断 void await() throws InterruptedException; //调用此方法的线程将加入等待队列，阻塞直到被通知（线程中断忽略） void awaitUninterruptibly(); //调用此方法的线程将加入等待队列，阻塞直到被通知或者线程中断或等待超时 long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; //调用此方法的线程将加入等待队列，阻塞直到被通知或者线程中断或等待超时 boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //调用此方法的线程将加入等待队列，阻塞直到被通知或者线程中断或超出指定日期 boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; //唤醒一个等待中的线程 void signal(); //唤醒所以等待中的线程 void signalAll(); }
2.发现说明
【1】在Condition中，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()，传统线程的通信方式，Condition都可以实现，这里注意，Condition是被绑定到Lock上的，要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。Condition的强大之处在于，对于一个锁，我们可以为多个线程间建立不同的Condition。如果采用Object类中的wait(), notify(), notifyAll()实现的话，当写入数据之后需要唤醒读线程时，不可能通过notify()或notifyAll()明确的指定唤醒读线程，而只能通过notifyAll唤醒所有线程，但是notifyAll无法区分唤醒的线程是读线程，还是写线程。所以，通过Condition能够更加精细的控制多线程的休眠与唤醒。
【2】但，condition的使用必须依赖于lock对象，通过lock对象的newCondition()方法初始化一个condition对象。
ConditionObject类详解【Condition接口的实现类】
1.属性值解析
//由头尾两个节点指针形成的链表来达到队列的效果 private transient Node firstWaiter; private transient Node lastWaiter;
2.方法解析
【1】核心await方法
public final void await() throws InterruptedException { //如果线程中断，直接抛出异常 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); //进入等待队列中 Node node = addConditionWaiter(); //释放当前线程持有的锁，并获取当前同步器状态 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; //如果不在同步队列中，那么直接阻塞当前线程；直到被唤醒时，加入到同步队列中 while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } //此时已经被唤醒，那么尝试获取锁 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; //如果节点中断取消，那么清除节点 if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); } //addConditionWaiter将一个节点添加到condition队列中。在入队时，判断当前尾节点是不是CONDITION。如果不是则判断当前尾节点已经被取消，将当前节点出队。那么也就是说在队列中的节点状态，要么是CONDITION,要么是CANCELLED private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; // If lastWaiter is cancelled, clean out. if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; } //方法的作用是移除取消的节点。方法本身只有在持有锁的时候会被调用。方法会遍历当前condition队列，将所有非Condition状态的节点移除。 private void unlinkCancelledWaiters() { Node t = firstWaiter; Node trail = null; while (t != null) { Node next = t.nextWaiter; 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; } }
【2】核心signal方法与signalAll方法
public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); } public final void signalAll() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignalAll(first); } private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); } private void doSignalAll(Node first) { lastWaiter = firstWaiter = null; do { Node next = first.nextWaiter; first.nextWaiter = null; transferForSignal(first); first = next; } while (first != null); } final boolean transferForSignal(Node node) { //如果不能更改waitStatus，则表示该节点已被取消 if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
