深度解析Java8 – AbstractQueuedSynchronizer的实现分析（下）

前言

经过本系列的上半部分JDK1.8 AbstractQueuedSynchronizer的实现分析（上）的解读，相信很多读者已经对AbstractQueuedSynchronizer(下文简称AQS)的独占功能了然于胸，那么，这次我们再借助另一个工具类：CoutDownLatch，换个角度看看AQS的另外一个重要功能——共享功能的实现。

 AQS共享功能的实现

     在开始解读AQS的共享功能前，我们再重温一下CountDownLatch，CountDownLatch为java.util.concurrent包下的计数器工具类，常被用在多线程环境下，它在初始时需要指定一个计数器的大小，然后可被多个线程并发的实现减1操作，并在计数器为0后调用await方法的线程被唤醒，从而实现多线程间的协作。它在多线程环境下的基本使用方式为：

//main thread
      // 新建一个CountDownLatch，并制定一个初始大小
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
      // 调用await方法后，main线程将阻塞在这里，直到countDownLatch 中的计数为0
      countDownLatch.await();
      System.out.println("over");

     //thread1
     // do something
     //...........
     //调用countDown方法，将计数减1
      countDownLatch.countDown();

     //thread2
     // do something
     //...........
     //调用countDown方法，将计数减1
      countDownLatch.countDown();

       //thread3
     // do something
     //...........
     //调用countDown方法，将计数减1
      countDownLatch.countDown();

     

     

    

    

           

     

     

    

   

   private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED); //将当前线程包装为类型为Node.SHARED的节点，标示这是一个共享节点。
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {//如果新建节点的前一个节点，就是Head，说明当前节点是AQS队列中等待获取锁的第一个节点，按照FIFO的原则，可以直接尝试获取锁。
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r); //获取成功，需要将当前节点设置为AQS队列中的第一个节点，这是AQS的规则，队列的头节点表示正在获取锁的节点
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //检查下是否需要将当前节点挂起
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

   

    首先，使用了CAS更换了头节点，然后，将当前节点的下一个节点取出来，如果同样是“shared”类型的，再做一个”releaseShared”操作。看下doReleaseShared方法：

       for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) //如果当前节点是SIGNAL意味着，它正在等待一个信号，
                                                                                              //或者说，它在等待被唤醒，因此做两件事，
                                                                                              //1是重置waitStatus标志位，2是重置成功后,唤醒下一个节点。
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))  //如果本身头结点的waitStatus是出于重置状态（waitStatus==0）的，将其设置为“传播”状态。意味着需要将状态向后一个节点传播。
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }

     

   

     Node1变成了头节点然后调用unparkSuccessor()方法唤醒了Node2,Node2中持有的线程A出于上面流程图的park node的位置，

     线程A被唤醒后，重复黄色线条的流程，重新检查调用tryAcquireShared方法，看能否成功，如果成功，则又更改头结点，重复以上步骤，以实现节点自身获取共享锁成功后，唤醒下一个共享类型结点的操作，实现共享状态的向后传递。

 2.其实对于doAcquireShared方法，AQS还提供了集中类似的实现：

   

 分别对应了：

 1. 带参数请求共享锁。 （忽略中断）

 2. 带参数请求共享锁，且响应中断。（每次循环时，会检查当前线程的中断状态，以实现对线程中断的响应）

 3. 带参数请求共享锁但是限制等待时间。（第二个参数设置超时时间，超出时间后，方法返回。）

比较特别的为最后一个doAcquireSharedNanos方法，我们一起看下它怎么实现超时时间的控制的。

因为该方法和其余获取共享锁的方法逻辑是类似的，我用红色框圈出了它所不一样的地方，也就是实现超时时间控制的地方。

可以看到，其实就是在进入方法时，计算出了一个“deadline”，每次循环的时候用当前时间和“deadline”比较，大于“dealine”说明超时时间已到，直接返回方法。

注意，最后一个红框中的这行代码：

    nanosTimeout > spinForTimeoutThreshold

从变量的字面意思可知，这是拿超时时间和超时自旋的最小阀值作比较，在这里Doug Lea把超时自旋的阀值设置成了1000ns,即只有超时时间大于1000ns才会去挂起线程，否则，再次循环，以实现“自旋”操作。这是“自旋”在AQS中的应用之处。

看完await方法，我们再来看下countDown()方法：

死循环更新state的值，实现state的减1操作，之所以用死循环是为了确保state值的更新成功。

从上文的分析中可知，如果state的值为0，在CountDownLatch中意味：所有的子线程已经执行完毕，这个时候可以唤醒调用await()方法的线程了，而这些线程正在AQS的队列中，并被挂起的，

所以下一步应该去唤醒AQS队列中的头结点了（AQS的队列为FIFO队列），然后由头节点去依次唤醒AQS队列中的其他共享节点。如果tryReleaseShared返回true,进入doReleaseShared()方法：

  private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) //如果当前节点是SIGNAL意味着，它正在等待一个信号，
                                                                                              //或者说，它在等待被唤醒，因此做两件事，
                                                                                              //1是重置waitStatus标志位，2是重置成功后,唤醒下一个节点。
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))  //如果本身头结点的waitStatus是出于重置状态（waitStatus==0）的，将其设置为“传播”状态。意味着需要将状态向后一个节点传播。
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
  }

总结

     如果获取共享锁失败后，将请求共享锁的线程封装成Node对象放入AQS的队列中，并挂起Node对象对应的线程，实现请求锁线程的等待操作。待共享锁可以被获取后，从头节点开始，依次唤醒头节点及其以后的所有共享类型的节点。实现共享状态的传播。这里有几点值得注意：
1．     与AQS的独占功能一样，共享锁是否可以被获取的判断为空方法，交由子类去实现。
2．     与AQS的独占功能不同，当锁被头节点获取后，独占功能是只有头节点获取锁，其余节点的线程继续沉睡，等待锁被释放后，才会唤醒下一个节点的线程，而共享功能是只要头节点获取锁成功，就在唤醒自身节点对应的线程的同时，继续唤醒AQS队列中的下一个节点的线程，每个节点在唤醒自身的同时还会唤醒下一个节点对应的线程，以实现共享状态的“向后传播”，从而实现共享功能。

以上的分析都是从AQS子类的角度去看待AQS的部分功能的，而如果直接看待AQS，或许可以这么去解读：
首先，AQS并不关心“是什么锁”，对于AQS来说它只是实现了一系列的用于判断“资源”是否可以访问的API,并且封装了在“访问资源”受限时将请求访问的线程的加入队列、挂起、唤醒等操作， AQS只关心“资源不可以访问时，怎么处理？”、“资源是可以被同时访问，还是在同一时间只能被一个线程访问？”、“如果有线程等不及资源了，怎么从AQS的队列中退出？”等一系列围绕资源访问的问题，而至于“资源是否可以被访问？”这个问题则交给AQS的子类去实现。
当AQS的子类是实现独占功能时，例如ReentrantLock，“资源是否可以被访问”被定义为只要AQS的state变量不为0，并且持有锁的线程不是当前线程，则代表资源不能访问。
当AQS的子类是实现共享功能时，例如：CountDownLatch，“资源是否可以被访问”被定义为只要AQS的state变量不为0，说明资源不能访问。这是典型的将规则和操作分开的设计思路：规则子类定义，操作逻辑因为具有公用性，放在父类中去封装。当然，正式因为AQS只是关心“资源在什么条件下可被访问”，所以子类还可以同时使用AQS的共享功能和独占功能的API以实现更为复杂的功能。
比如：ReentrantReadWriteLock，我们知道ReentrantReadWriteLock的中也有一个叫Sync的内部类继承了AQS，而AQS的队列可以同时存放共享锁和独占锁，对于ReentrantReadWriteLock来说分别代表读锁和写锁，当队列中的头节点为读锁时，代表读操作可以执行，而写操作不能执行，因此请求写操作的线程会被挂起，当读操作依次推出后，写锁成为头节点，请求写操作的线程被唤醒，可以执行写操作，而此时的读请求将被封装成Node放入AQS的队列中。如此往复，实现读写锁的读写交替进行。
而本系列文章上半部分提到的FutureTask，其实思路也是：封装一个存放线程执行结果的变量A,使用AQS的独占API实现线程对变量A的独占访问，判断规则是，线程没有执行完毕：call()方法没有返回前，不能访问变量A，或者是超时时间没到前不能访问变量A(这就是FutureTask的get方法可以实现获取线程执行结果时，设置超时时间的原因)。
综上所述，本系列文章从AQS独占锁和共享锁两个方面深入分析了AQS的实现方式和独特的设计思路，希望对读者有启发，下一篇文章，我们将继续JDK 1.8下 J.U.C (java.util.concurrent)包中的其他工具类，敬请期待。