AQS加锁机制Synchronized

正文

在并发多线程的情况下，为了保证数据安全性，一般我们会对数据进行加锁，通常使用Synchronized或者ReentrantLock同步锁。Synchronized是基于JVM实现，而ReentrantLock是基于Java代码层面实现的，底层是继承的AQS。

AQS全称 AbstractQueuedSynchronizer ，即抽象队列同步器，是一种用来构建锁和同步器的框架。

我们常见的并发锁ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier都是基于AQS实现的，所以说不懂AQS实现原理的，就不能说了解Java锁。

当我仔细研究AQS底层加锁原理，发现竟然跟Synchronized加锁原理有惊人的相似。让我突然想到一句名言，记不清怎么说了，意思是框架底层原理很相似，大家多学习底层原理。

Synchronized的加锁流程在前几篇文章已经详细讲过，没看过一块再温习一下。

1. Synchronized加锁流程

我们先想一下Synchronized的加锁需求，如果让你设计Synchronized的对象锁存储结构，该怎么设计？

• 多个线程执行到Synchronized代码块，只有一个线程获取锁，然后执行同步代码块（需要记录哪个线程获取了对象锁）。
• 其他线程被阻塞（被阻塞的线程，是不是可以用链表设计个阻塞队列？）
• 持有锁的线程调用wait方法，释放锁，等待被唤醒（等待的线程，是不是可以用链表设计个等待队列？）。
• 被阻塞的线程开始竞争锁
• 调用notify方法，唤醒等待的线程，被唤醒的线程进入阻塞队列，一块竞争锁。

上面描述了Synchronized的加锁流程，Synchronized的对象锁存储结构是不是跟咱们想的一样？实际就是的。

下面是对象锁的存储数据结构（由C++实现）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL; // 等待队列，存储处于wait状态的线程
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 阻塞队列，存储处于等待锁block状态的线程
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

上图展示了对象锁的基本工作机制：

• 当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList队列中阻塞。
• 当某个线程获取到对象的对象锁后进入临界区域，并把对象锁中的 _owner变量设置为当前线程，即获得对象锁。
• 若持有对象锁的线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的对象锁，_owner变量恢复为null，同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。
• 在_WaitSet集合中的线程被唤醒，会被再次放到_EntryList队列中，重新竞争获取锁。
• 若当前线程执行完毕也将释放对象锁并复位变量的值，以便其他线程进入获取锁。

Synchronized对象锁存储结构和加锁流程，竟然跟咱们想的一样。

再看一下ReentrantLock的存储结构和加锁流程，有没有相似的地方。

2. AQS加锁原理

先分析一下，我们使用AQS的加锁需求：

• 多个线程执行到ReentrantLock.lock方法的时候，只有一个线程获取锁，然后执行同步代码块（需要记录哪个线程获取了对象锁）。
• 其他线程被阻塞（被阻塞的线程，是不是可以用链表设计个阻塞队列？名叫”同步队列“？）
• 持有锁的线程调用await方法，释放锁，等待被唤醒（等待的线程，是不是可以用链表设计个等待队列？名叫”条件队列“？）。
• 被阻塞的线程开始竞争锁
• 调用signal方法，唤醒等待的线程，被唤醒的线程进入阻塞队列，一块竞争锁。

AQS的需求跟Synchronized一模一样。

我们再看一下AQS实际的加锁机制是怎么设计的？是不是跟Synchronized相似？

AQS的加锁流程并不复杂，只要理解了同步队列和条件队列，以及它们之间的数据流转，就算彻底理解了AQS。

• 当多个线程竞争AQS锁时，如果有个线程获取到锁，就把ower线程设置为自己
• 没有竞争到锁的线程，在同步队列中阻塞（同步队列采用双向连接，尾插法）。
• 持有锁的线程调用await方法，释放锁，追加到条件队列的末尾（条件队列采用单链条，尾插法）。
• 持有锁的线程调用signal方法，唤醒条件队列的头节点，并转移到同步队列的末尾。
• 同步队列的头节点优先获取到锁

可以看到AQS和Synchronized的加锁流程几乎是一模一样的，AQS中同步队列就是Synchronized中EntryList，AQS中条件队列就是Synchronized中的waitSet，两个队列之间的数据转移流程也是一样的。

3. 总结

AQS跟Synchronized的加锁流程是一样的，都是通过同步队列和条件队列实现的，阻塞状态的线程被放到同步队列中，等待状态的线程被放到条件队列中，从条件队列唤醒的线程又被转移到同步队列末尾，一块竞争锁。

看完AQS加锁流程，还没有人不懂AQS的？

下篇文章再讲一下AQS加锁具体的源码实现。里面有很多精巧的设计，值得我们学习。

比如：

为什么同步队列要设计成双向链表？而条件队列要设计成单链表？

为什么AQS加锁性能这么好（乐观锁CAS使用）？

同步队列和条件队列中节点怎么用一个对象实现？

释放锁后，怎么唤醒同步队列中线程？