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Java多线程进阶（九）—— J.U.C之locks框架：AQS共享功能剖析(4)

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 2023-08-15  阅读(3)
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原文作者：Ressmix 原文地址：https://www.tpvlog.com/article/18

一、本章概述

AQS系列的前三个章节，我们通过ReentrantLock的示例，分析了AQS的独占功能。
本章将以CountDownLatch为例，分析AQS的共享功能。CountDownLatch，是J.U.C中的一个同步器类，可作为倒数计数器使用，关于CountDownLatch的使用和说明，读者可以参考：
Java多线程进阶（十八）—— J.U.C之synchronizer框架：CountDownLatch。

CountDownLatch示例
假设现在有3个线程，ThreadA、ThreadB、mainThread，CountDownLatch初始计数为1：
CountDownLatch switcher = new CountDownLatch(1);

线程的调用时序如下：

    // ThreadA调用await()方法等待
    
    // ThreadB调用await()方法等待
    
    // 主线程main调用countDown()放行

二、AQS共享功能的原理

1. 创建CountDownLatch

CountDownLatch的创建没什么特殊，调用唯一的构造器，传入一个初始计数值，内部实例化一个AQS子类：

CountDownLatch switcher = new CountDownLatch(1);

202308152157309051.png

可以看到，初始计数值count其实就是同步状态值，在CountDownLatch中，同步状态State表示CountDownLatch的计数器的初始大小。

2. ThreadA调用await()方法等待

CountDownLatch的 await 方法是响应中断的，该方法其实是调用了AQS的 acquireSharedInterruptibly 方法：

202308152157317942.png

注意 tryAcquireShared 方法，该方法尝试获取锁，由AQS子类实现，其返回值的含义如下：

State 资源的定义
小于0 表示获取失败
0 表示获取成功
大于0 表示获取成功，且后继争用线程可能成功

CountDownLatch中的 tryAcquireShared 实现相当简单，当State值为0时，永远返回成功：

202308152157331013.png

我们之前说了在CountDownLatch中，同步状态State表示CountDownLatch的计数器的初始值，当State==0时，表示无锁状态，且一旦State变为0，就永远处于无锁状态了，此时所有线程在await上等待的线程都可以继续执行。
而在ReentrantLock中，State==0时，虽然也表示无锁状态，但是只有一个线程可以重置State的值。这就是 共享锁 的含义。

好了，继续向下执行，ThreadA尝试获取锁失败后，会调用 doAcquireSharedInterruptibly ：

202308152157335364.png

首先通过 addWaiter 方法，将ThreadA包装成共享结点，插入等待队列，插入完成后队列结构如下：

202308152157342595.png

然后会进入自旋操作，先尝试获取一次锁，显然此时是获取失败的（主线程main还未调用countDown，同步状态State还是1）。
然后判断是否要进入阻塞（ shouldParkAfterFailedAcquire ）：

202308152157347556.png

好了，至此，ThreadA进入阻塞态，最终队列结构如下：

202308152157354727.png

3. ThreadB调用await()方法等待

流程和步骤2完全相同，调用后ThreadB也被加入到等待队列中：

202308152157359948.png

4. 主线程main调用countDown()放行

ThreadA和ThreadB调用了await()方法后都在等待了，现在主线程main开始调用countDown()方法，该方法调用后，ThreadA和ThreadB都会被唤醒，并继续往下执行，达到类似门栓的作用。

来看下 countDown 方法的内部：

202308152157364779.png

该方法内部调用了AQS的 releaseShared 方法，先尝试一次释放锁， tryReleaseShared 方法是一个钩子方法，由 CountDownLatch 实现，当同步State状态值首次变为0时，会返回true：

2023081521573694010.png

2023081521573739511.png

先调用 compareAndSetWaitStatus 将头结点的等待状态置为0，表示将唤醒后续结点（ThreadA），成功后的等待队列结构如下：

2023081521573805112.png

然后调用 unparkSuccessor 唤醒后继结点（ThreadA被唤醒后会从原阻塞处继续往下执行，这个在步骤5再讲）：

2023081521573870513.png

此时，等待队列结构如下：

2023081521573946614.png

5. ThreadA从原阻塞处继续向下执行

ThreadA被唤醒后，会从原来的阻塞处继续向下执行：
由于是一个自旋操作，ThreadA会再次尝试获取锁，由于此时State同步状态值为0（无锁状态），所以获取成功。然后调用 setHeadAndPropagate 方法：

2023081521573997615.png

setHeadAndPropagate 方法把ThreadA结点变为头结点，并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点：

2023081521574076316.png

①将ThreadA变成头结点

2023081521574654317.png

②调用 doReleaseShared 方法，释放并唤醒ThreadB结点

2023081521574742718.png

2023081521574806619.png

6. ThreadB从原阻塞处继续向下执行

ThreadB被唤醒后，从原阻塞处继续向下执行，这个过程和步骤5（ThreadA唤醒后继续执行）完全一样。

setHeadAndPropagate 方法把ThreadB结点变为头结点，并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点：

2023081521574849720.png

①将ThreadB变成头结点

2023081521574975521.png

②调用 doReleaseShared 方法，释放并唤醒后继结点（此时没有后继结点了，则直接break）：

2023081521575027222.png

最终队列状态如下：

2023081521575118023.png

三、总结

AQS的共享功能，通过钩子方法 tryAcquireShared 暴露，与独占功能最主要的区别就是：

共享功能的结点，一旦被唤醒，会向队列后部传播（Propagate）状态，以实现共享结点的连续唤醒。这也是共享的含义，当锁被释放时，所有持有该锁的共享线程都会被唤醒，并从等待队列移除。

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文章标签： Java 并发