Java并發(fā)系列之AbstractQueuedSynchronizer源碼分析（條件隊列）

更新時間：2018年02月27日 09:53:43 作者：勞夫子

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Java并發(fā)系列之AbstractQueuedSynchronizer源碼，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

通過前面三篇的分析，我們深入了解了AbstractQueuedSynchronizer的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一些設(shè)計理念，知道了AbstractQueuedSynchronizer內(nèi)部維護(hù)了一個同步狀態(tài)和兩個排隊區(qū)，這兩個排隊區(qū)分別是同步隊列和條件隊列。我們還是拿公共廁所做比喻，同步隊列是主要的排隊區(qū)，如果公共廁所沒開放，所有想要進(jìn)入廁所的人都得在這里排隊。而條件隊列主要是為條件等待設(shè)置的，我們想象一下如果一個人通過排隊終于成功獲取鎖進(jìn)入了廁所，但在方便之前發(fā)現(xiàn)自己沒帶手紙，碰到這種情況雖然很無奈，但是它也必須接受這個事實，這時它只好乖乖的出去先準(zhǔn)備好手紙(進(jìn)入條件隊列等待)，當(dāng)然在出去之前還得把鎖給釋放了好讓其他人能夠進(jìn)來，在準(zhǔn)備好了手紙(條件滿足)之后它又得重新回到同步隊列中去排隊。當(dāng)然進(jìn)入房間的人并不都是因為沒帶手紙，可能還有其他一些原因必須中斷操作先去條件隊列中去排隊，所以條件隊列可以有多個，依不同的等待條件而設(shè)置不同的條件隊列。條件隊列是一條單向鏈表，Condition接口定義了條件隊列中的所有操作，AbstractQueuedSynchronizer內(nèi)部的ConditionObject類實現(xiàn)了Condition接口，下面我們看看Condition接口都定義了哪些操作。

public interface Condition {
  
  //響應(yīng)線程中斷的條件等待
  void await() throws InterruptedException;
  
  //不響應(yīng)線程中斷的條件等待
  void awaitUninterruptibly();
  
  //設(shè)置相對時間的條件等待(不進(jìn)行自旋)
  long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
  
  //設(shè)置相對時間的條件等待(進(jìn)行自旋)
  boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
  
  //設(shè)置絕對時間的條件等待
  boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
  
  //喚醒條件隊列中的頭結(jié)點
  void signal();
  
  //喚醒條件隊列的所有結(jié)點
  void signalAll();
  
}

Condition接口雖然定義了這么多方法，但總共就分為兩類，以await開頭的是線程進(jìn)入條件隊列等待的方法，以signal開頭的是將條件隊列中的線程“喚醒”的方法。這里要注意的是，調(diào)用signal方法可能喚醒線程也可能不會喚醒線程，什么時候會喚醒線程這得看情況，后面會講到，但是調(diào)用signal方法一定會將線程從條件隊列中移到同步隊列尾部。這里為了敘述方便，我們先暫時不糾結(jié)這么多，統(tǒng)一稱signal方法為喚醒條件隊列線程的操作。大家注意看一下，await方法分為5種，分別是響應(yīng)線程中斷等待，不響應(yīng)線程中斷等待，設(shè)置相對時間不自旋等待，設(shè)置相對時間自旋等待，設(shè)置絕對時間等待；signal方法只有2種，分別是只喚醒條件隊列頭結(jié)點和喚醒條件隊列所有結(jié)點的操作。同一類的方法基本上是相通的，由于篇幅所限，我們不可能也不需要將這些方法全部仔細(xì)的講到，只需要將一個代表方法搞懂了再看其他方法就能夠觸類旁通。所以在本文中我只會細(xì)講await方法和signal方法，其他方法不細(xì)講但會貼出源碼來以供大家參考。

1. 響應(yīng)線程中斷的條件等待

//響應(yīng)線程中斷的條件等待
public final void await() throws InterruptedException {
  //如果線程被中斷則拋出異常
  if (Thread.interrupted()) {
    throw new InterruptedException();
  }
  //將當(dāng)前線程添加到條件隊列尾部
  Node node = addConditionWaiter();
  //在進(jìn)入條件等待之前先完全釋放鎖
  int savedState = fullyRelease(node);
  int interruptMode = 0;
  //線程一直在while循環(huán)里進(jìn)行條件等待
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //進(jìn)行條件等待的線程都在這里被掛起, 線程被喚醒的情況有以下幾種：
    //1.同步隊列的前繼結(jié)點已取消
    //2.設(shè)置同步隊列的前繼結(jié)點的狀態(tài)為SIGNAL失敗
    //3.前繼結(jié)點釋放鎖后喚醒當(dāng)前結(jié)點
    LockSupport.park(this);
    //當(dāng)前線程醒來后立馬檢查是否被中斷, 如果是則代表結(jié)點取消條件等待, 此時需要將結(jié)點移出條件隊列
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
      break;
    }
  }
  //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
  if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
    interruptMode = REINTERRUPT;
  }
  //這步操作主要為防止線程在signal之前中斷而導(dǎo)致沒與條件隊列斷絕聯(lián)系
  if (node.nextWaiter != null) {
    unlinkCancelledWaiters();
  }
  //根據(jù)中斷模式進(jìn)行響應(yīng)的中斷處理
  if (interruptMode != 0) {
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  }
}

當(dāng)線程調(diào)用await方法的時候，首先會將當(dāng)前線程包裝成node結(jié)點放入條件隊列尾部。在addConditionWaiter方法中，如果發(fā)現(xiàn)條件隊列尾結(jié)點已取消就會調(diào)用unlinkCancelledWaiters方法將條件隊列所有的已取消結(jié)點清空。這步操作是插入結(jié)點的準(zhǔn)備工作，那么確保了尾結(jié)點的狀態(tài)也是CONDITION之后，就會新建一個node結(jié)點將當(dāng)前線程包裝起來然后放入條件隊列尾部。注意，這個過程只是將結(jié)點添加到同步隊列尾部而沒有掛起線程哦。

第二步：完全將鎖釋放

//完全釋放鎖
final int fullyRelease(Node node) {
  boolean failed = true;
  try {
    //獲取當(dāng)前的同步狀態(tài)
    int savedState = getState();
    //使用當(dāng)前的同步狀態(tài)去釋放鎖
    if (release(savedState)) {
      failed = false;
      //如果釋放鎖成功就返回當(dāng)前同步狀態(tài)
      return savedState;
    } else {
      //如果釋放鎖失敗就拋出運行時異常
      throw new IllegalMonitorStateException();
    }
  } finally {
    //保證沒有成功釋放鎖就將該結(jié)點設(shè)置為取消狀態(tài)
    if (failed) {
      node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
  }
}

將當(dāng)前線程包裝成結(jié)點添加到條件隊列尾部后，緊接著就調(diào)用fullyRelease方法釋放鎖。注意，方法名為fullyRelease也就這步操作會完全的釋放鎖，因為鎖是可重入的，所以在進(jìn)行條件等待前需要將鎖全部釋放了，不然的話別人就獲取不了鎖了。如果釋放鎖失敗的話就會拋出一個運行時異常，如果成功釋放了鎖的話就返回之前的同步狀態(tài)。

第三步：進(jìn)行條件等待

//線程一直在while循環(huán)里進(jìn)行條件等待
while (!isOnSyncQueue(node)) {
  //進(jìn)行條件等待的線程都在這里被掛起, 線程被喚醒的情況有以下幾種：
  //1.同步隊列的前繼結(jié)點已取消
  //2.設(shè)置同步隊列的前繼結(jié)點的狀態(tài)為SIGNAL失敗
  //3.前繼結(jié)點釋放鎖后喚醒當(dāng)前結(jié)點
  LockSupport.park(this);
  //當(dāng)前線程醒來后立馬檢查是否被中斷, 如果是則代表結(jié)點取消條件等待, 此時需要將結(jié)點移出條件隊列
  if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
    break;
  }
}

//檢查條件等待時的線程中斷情況
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
  //中斷請求在signal操作之前：THROW_IE
  //中斷請求在signal操作之后：REINTERRUPT
  //期間沒有收到任何中斷請求：0
  return Thread.interrupted() ? (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0;
}

//將取消條件等待的結(jié)點從條件隊列轉(zhuǎn)移到同步隊列中
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
  //如果這步CAS操作成功的話就表明中斷發(fā)生在signal方法之前
  if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
    //狀態(tài)修改成功后就將該結(jié)點放入同步隊列尾部
    enq(node);
    return true;
  }
  //到這里表明CAS操作失敗, 說明中斷發(fā)生在signal方法之后
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //如果sinal方法還沒有將結(jié)點轉(zhuǎn)移到同步隊列, 就通過自旋等待一下
    Thread.yield();
  }
  return false;
}

在以上兩個操作完成了之后就會進(jìn)入while循環(huán)，可以看到while循環(huán)里面首先調(diào)用LockSupport.park(this)將線程掛起了，所以線程就會一直在這里阻塞。在調(diào)用signal方法后僅僅只是將結(jié)點從條件隊列轉(zhuǎn)移到同步隊列中去，至于會不會喚醒線程需要看情況。如果轉(zhuǎn)移結(jié)點時發(fā)現(xiàn)同步隊列中的前繼結(jié)點已取消，或者是更新前繼結(jié)點的狀態(tài)為SIGNAL失敗，這兩種情況都會立即喚醒線程，否則的話在signal方法結(jié)束時就不會去喚醒已在同步隊列中的線程，而是等到它的前繼結(jié)點來喚醒。當(dāng)然，線程阻塞在這里除了可以調(diào)用signal方法喚醒之外，線程還可以響應(yīng)中斷，如果線程在這里收到中斷請求就會繼續(xù)往下執(zhí)行?？梢钥吹骄€程醒來后會馬上檢查是否是由于中斷喚醒的還是通過signal方法喚醒的，如果是因為中斷喚醒的同樣會將這個結(jié)點轉(zhuǎn)移到同步隊列中去，只不過是通過調(diào)用transferAfterCancelledWait方法來實現(xiàn)的。最后執(zhí)行完這一步之后就會返回中斷情況并跳出while循環(huán)。

第四步：結(jié)點移出條件隊列后的操作

//線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
  interruptMode = REINTERRUPT;
}
//這步操作主要為防止線程在signal之前中斷而導(dǎo)致沒與條件隊列斷絕聯(lián)系
if (node.nextWaiter != null) {
  unlinkCancelledWaiters();
}
//根據(jù)中斷模式進(jìn)行響應(yīng)的中斷處理
if (interruptMode != 0) {
  reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

//結(jié)束條件等待后根據(jù)中斷情況做出相應(yīng)處理
private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException {
  //如果中斷模式是THROW_IE就拋出異常
  if (interruptMode == THROW_IE) {
    throw new InterruptedException();
  //如果中斷模式是REINTERRUPT就自己掛起
  } else if (interruptMode == REINTERRUPT) {
    selfInterrupt();
  }
}

當(dāng)線程終止了while循環(huán)也就是條件等待后，就會回到同步隊列中。不管是因為調(diào)用signal方法回去的還是因為線程中斷導(dǎo)致的，結(jié)點最終都會在同步隊列中。這時就會調(diào)用acquireQueued方法執(zhí)行在同步隊列中獲取鎖的操作，這個方法我們在獨占模式這一篇已經(jīng)詳細(xì)的講過。也就是說，結(jié)點從條件隊列出來后又是乖乖的走獨占模式下獲取鎖的那一套，等這個結(jié)點再次獲得鎖之后，就會調(diào)用reportInterruptAfterWait方法來根據(jù)這期間的中斷情況做出相應(yīng)的響應(yīng)。如果中斷發(fā)生在signal方法之前，interruptMode就為THROW_IE，再次獲得鎖后就拋出異常；如果中斷發(fā)生在signal方法之后，interruptMode就為REINTERRUPT，再次獲得鎖后就重新中斷。

2.不響應(yīng)線程中斷的條件等待

//不響應(yīng)線程中斷的條件等待
public final void awaitUninterruptibly() {
  //將當(dāng)前線程添加到條件隊列尾部
  Node node = addConditionWaiter();
  //完全釋放鎖并返回當(dāng)前同步狀態(tài)
  int savedState = fullyRelease(node);
  boolean interrupted = false;
  //結(jié)點一直在while循環(huán)里進(jìn)行條件等待
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //條件隊列中所有的線程都在這里被掛起
    LockSupport.park(this);
    //線程醒來發(fā)現(xiàn)中斷并不會馬上去響應(yīng)
    if (Thread.interrupted()) {
      interrupted = true;
    }
  }
  if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) {
    //在這里響應(yīng)所有中斷請求, 滿足以下兩個條件之一就會將自己掛起
    //1.線程在條件等待時收到中斷請求
    //2.線程在acquireQueued方法里收到中斷請求
    selfInterrupt();
  }
}

3.設(shè)置相對時間的條件等待(不進(jìn)行自旋)

//設(shè)置定時條件等待(相對時間), 不進(jìn)行自旋等待
public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
  //如果線程被中斷則拋出異常
  if (Thread.interrupted()) {
    throw new InterruptedException();
  }
  //將當(dāng)前線程添加到條件隊列尾部
  Node node = addConditionWaiter();
  //在進(jìn)入條件等待之前先完全釋放鎖
  int savedState = fullyRelease(node);
  long lastTime = System.nanoTime();
  int interruptMode = 0;
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //判斷超時時間是否用完了
    if (nanosTimeout <= 0L) {
      //如果已超時就需要執(zhí)行取消條件等待操作
      transferAfterCancelledWait(node);
      break;
    }
    //將當(dāng)前線程掛起一段時間, 線程在這期間可能被喚醒, 也可能自己醒來
    LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
    //線程醒來后先檢查中斷信息
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
      break;
    }
    long now = System.nanoTime();
    //超時時間每次減去條件等待的時間
    nanosTimeout -= now - lastTime;
    lastTime = now;
  }
  //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
  if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
    interruptMode = REINTERRUPT;
  }
  //由于transferAfterCancelledWait方法沒有把nextWaiter置空, 所有這里要再清理一遍
  if (node.nextWaiter != null) {
    unlinkCancelledWaiters();
  }
  //根據(jù)中斷模式進(jìn)行響應(yīng)的中斷處理
  if (interruptMode != 0) {
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  }
  //返回剩余時間
  return nanosTimeout - (System.nanoTime() - lastTime);
}

4.設(shè)置相對時間的條件等待(進(jìn)行自旋)

//設(shè)置定時條件等待(相對時間), 進(jìn)行自旋等待
public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
  if (unit == null) { throw new NullPointerException(); }
  //獲取超時時間的毫秒數(shù)
  long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
  //如果線程被中斷則拋出異常
  if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); }
  //將當(dāng)前線程添加條件隊列尾部
  Node node = addConditionWaiter();
  //在進(jìn)入條件等待之前先完全釋放鎖
  int savedState = fullyRelease(node);
  //獲取當(dāng)前時間的毫秒數(shù)
  long lastTime = System.nanoTime();
  boolean timedout = false;
  int interruptMode = 0;
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //如果超時就需要執(zhí)行取消條件等待操作
    if (nanosTimeout <= 0L) {
      timedout = transferAfterCancelledWait(node);
      break;
    }
    //如果超時時間大于自旋時間, 就將線程掛起一段時間
    if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold) {
      LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
    }
    //線程醒來后先檢查中斷信息
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
      break;
    }
    long now = System.nanoTime();
    //超時時間每次減去條件等待的時間
    nanosTimeout -= now - lastTime;
    lastTime = now;
  }
  //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
  if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
    interruptMode = REINTERRUPT;
  }
  //由于transferAfterCancelledWait方法沒有把nextWaiter置空, 所有這里要再清理一遍
  if (node.nextWaiter != null) {
    unlinkCancelledWaiters();
  }
  //根據(jù)中斷模式進(jìn)行響應(yīng)的中斷處理
  if (interruptMode != 0) {
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  }
  //返回是否超時標(biāo)志
  return !timedout;
}

5.設(shè)置絕對時間的條件等待

//設(shè)置定時條件等待(絕對時間)
public final boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException {
  if (deadline == null) { throw new NullPointerException(); } 
  //獲取絕對時間的毫秒數(shù)
  long abstime = deadline.getTime();
  //如果線程被中斷則拋出異常
  if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); }
  //將當(dāng)前線程添加到條件隊列尾部
  Node node = addConditionWaiter();
  //在進(jìn)入條件等待之前先完全釋放鎖
  int savedState = fullyRelease(node);
  boolean timedout = false;
  int interruptMode = 0;
  while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //如果超時就需要執(zhí)行取消條件等待操作
    if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
      timedout = transferAfterCancelledWait(node);
      break;
    }
    //將線程掛起一段時間, 期間線程可能被喚醒, 也可能到了點自己醒來
    LockSupport.parkUntil(this, abstime);
    //線程醒來后先檢查中斷信息
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
      break;
    }
  }
  //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
  if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
    interruptMode = REINTERRUPT;
  }
  //由于transferAfterCancelledWait方法沒有把nextWaiter置空, 所有這里要再清理一遍
  if (node.nextWaiter != null) {
    unlinkCancelledWaiters();
  }
  //根據(jù)中斷模式進(jìn)行響應(yīng)的中斷處理
  if (interruptMode != 0) {
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  }
  //返回是否超時標(biāo)志
  return !timedout;
}

6.喚醒條件隊列中的頭結(jié)點

//喚醒條件隊列中的下一個結(jié)點
public final void signal() {
  //判斷當(dāng)前線程是否持有鎖
  if (!isHeldExclusively()) {
    throw new IllegalMonitorStateException();
  }
  Node first = firstWaiter;
  //如果條件隊列中有排隊者
  if (first != null) {
    //喚醒條件隊列中的頭結(jié)點
    doSignal(first);
  }
}

//喚醒條件隊列中的頭結(jié)點
private void doSignal(Node first) {
  do {
    //1.將firstWaiter引用向后移動一位
    if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
      lastWaiter = null;
    }
    //2.將頭結(jié)點的后繼結(jié)點引用置空
    first.nextWaiter = null;
    //3.將頭結(jié)點轉(zhuǎn)移到同步隊列, 轉(zhuǎn)移完成后有可能喚醒線程
    //4.如果transferForSignal操作失敗就去喚醒下一個結(jié)點
  } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}

//將指定結(jié)點從條件隊列轉(zhuǎn)移到同步隊列中
final boolean transferForSignal(Node node) {
  //將等待狀態(tài)從CONDITION設(shè)置為0
  if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
    //如果更新狀態(tài)的操作失敗就直接返回false
    //可能是transferAfterCancelledWait方法先將狀態(tài)改變了, 導(dǎo)致這步CAS操作失敗
    return false;
  }
  //將該結(jié)點添加到同步隊列尾部
  Node p = enq(node);
  int ws = p.waitStatus;
  if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) {
    //出現(xiàn)以下情況就會喚醒當(dāng)前線程
    //1.前繼結(jié)點是取消狀態(tài)
    //2.更新前繼結(jié)點的狀態(tài)為SIGNAL操作失敗
    LockSupport.unpark(node.thread);
  }
  return true;
}

可以看到signal方法最終的核心就是去調(diào)用transferForSignal方法，在transferForSignal方法中首先會用CAS操作將結(jié)點的狀態(tài)從CONDITION設(shè)置為0，然后再調(diào)用enq方法將該結(jié)點添加到同步隊列尾部。我們再看到接下來的if判斷語句，這個判斷語句主要是用來判斷什么時候會去喚醒線程，出現(xiàn)這兩種情況就會立即喚醒線程，一種是當(dāng)發(fā)現(xiàn)前繼結(jié)點的狀態(tài)是取消狀態(tài)時，還有一種是更新前繼結(jié)點的狀態(tài)失敗時。這兩種情況都會馬上去喚醒線程，否則的話就僅僅只是將結(jié)點從條件隊列中轉(zhuǎn)移到同步隊列中就完了，而不會立馬去喚醒結(jié)點中的線程。signalAll方法也大致類似，只不過它是去循環(huán)遍歷條件隊列中的所有結(jié)點，并將它們轉(zhuǎn)移到同步隊列，轉(zhuǎn)移結(jié)點的方法也還是調(diào)用transferForSignal方法。

7.喚醒條件隊列的所有結(jié)點

//喚醒條件隊列后面的全部結(jié)點
public final void signalAll() {
  //判斷當(dāng)前線程是否持有鎖
  if (!isHeldExclusively()) {
    throw new IllegalMonitorStateException();
  }
  //獲取條件隊列頭結(jié)點
  Node first = firstWaiter;
  if (first != null) {
    //喚醒條件隊列的所有結(jié)點
    doSignalAll(first);
  }
}

//喚醒條件隊列的所有結(jié)點
private void doSignalAll(Node first) {
  //先把頭結(jié)點和尾結(jié)點的引用置空
  lastWaiter = firstWaiter = null;
  do {
    //先獲取后繼結(jié)點的引用
    Node next = first.nextWaiter;
    //把即將轉(zhuǎn)移的結(jié)點的后繼引用置空
    first.nextWaiter = null;
    //將結(jié)點從條件隊列轉(zhuǎn)移到同步隊列
    transferForSignal(first);
    //將引用指向下一個結(jié)點
    first = next;
  } while (first != null);
}

至此，我們整個的AbstractQueuedSynchronizer源碼分析就結(jié)束了，相信通過這四篇的分析，大家能更好的掌握并理解AQS。這個類確實很重要，因為它是其他很多同步類的基石，由于筆者水平和表達(dá)能力有限，如果哪些地方?jīng)]有表述清楚的，或者理解不到位的，還請廣大讀者們能夠及時指正，共同探討學(xué)習(xí)?？稍谙路搅粞蚤喿x中所遇到的問題，如果有需要AQS注釋源碼的也可聯(lián)系筆者索取。

注：以上全部分析基于JDK1.7，不同版本間會有差異，讀者需要注意。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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