AQS源码解析之Node与CLH锁队列

# 1. 引言
## 1.1 AQS简介
## 1.2 锁的概念与分类
## 1.3 本文介绍

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于构建同步器的框架，它提供了一种用于实现阻塞锁和一些其他同步器（如 Semaphore、 CountDownLatch 等）的基础框架。AQS 主要包括两种队列，即 Node 锁队列和 CLH 锁队列。本文将分别介绍这两种队列的数据结构、操作流程以及 AQS 的实现原理，并对其进行代码分析和应用场景的探讨。

## 2. Node锁队列
### 2.1 Node的数据结构
### 2.2 Node的状态
### 2.3 Node入队操作
### 2.4 Node出队操作

## 3. CLH锁队列
### 3.1 CLH锁队列的概念
### 3.2 CLH队列的数据结构
### 3.3 CLH队列的操作流程
### 3.4 CLH与Node锁队列的比较

## 4. AQS的实现原理
### 4.1 AQS中的Sync队列
### 4.2 AQS的基本操作：acquire与release
### 4.3 AQS的state状态管理

## 5. 代码分析
### 5.1 Node与CLH锁队列的核心代码解读
### 5.2 AQS相关代码分析
### 5.3 基于Node与CLH锁队列的实例演示

## 6. 总结与展望
### 6.1 AQS的优点与不足
### 6.2 Node与CLH锁队列的应用场景
### 6.3 对AQS与Node、CLH进行进一步研究的挑战和展望

# 2. Node锁队列

Node锁队列是AQS中的关键数据结构之一，用于管理需要获取锁的线程。本章将介绍Node锁队列的数据结构、状态以及入队和出队操作。

### 2.1 Node的数据结构

Node是AQS中的一个类，用于表示需要获取锁的线程。Node通过CAS操作进行状态的改变和线程的阻塞。它的基本数据结构如下：

static final class Node {
    static final Node SHARED = new Node();
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    Node nextWaiter;

    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        return p;
    }

    Node() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {  // Used by addWaiter
        this.thread = thread;
        this.nextWaiter = mode;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.thread = thread;
        this.waitStatus = waitStatus;
    }
}

### 2.2 Node的状态

Node中的waitStatus字段表示线程的等待状态，它有以下几个取值：

- 0：表示线程已经获取锁；
- Node.CANCELLED(1)：表示线程被取消等待；
- Node.SIGNAL(-1)：表示线程等待唤醒；
- Node.CONDITION(-2)：表示线程在Condition中等待；
- Node.PROPAGATE(-3)：共享模式下，等待结束后需要唤醒其他节点。

### 2.3 Node入队操作

当一个线程需要获取锁时，会被封装成一个Node节点，并通过addWaiter方法加入到等待队列中。入队操作的代码如下：

private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node);
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

### 2.4 Node出队操作

当一个线程获取到锁之后，需要从等待队列中移除，将其状态改为已获取锁的状态。出队操作的代码如下：

final boolean unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
    return s != null;
}

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();

    if (c == 0) {
        setExclusiveOwnerThread(null);
        return true;
    }
    setState(c);
    return false;
}

Node的入队和出队操作是AQS中实现获取锁以及线程等待和唤醒的重要环节，理解Node的数据结构和操作过程对于理解AQS的实现原理非常重要。

# 3. CLH锁队列

在本章中，我们将深入探讨CLH锁队列的概念、数据结构、操作流程，以及与Node锁队列的比较。通过对CLH锁队列的详细分析，读者将更深入地理解AQS的实现原理及其在并发编程中的应用。

#### 3.1 CLH锁队列的概念

CLH锁队列（Craig, Landin, and Hagersten locks）是一种自旋锁队列，最早由Craig、Landin和Hagersten提出。它通过一种基于链表的队列结构，实现了高效的线程同步，被广泛应用于各种并发编程环境中。

#### 3.2 CLH队列的数据结构

CLH队列的数据结构主要由两部分组成：锁节点（Node）和队列尾部（tail）。其中，每个线程会持有一个锁节点，这些锁节点按照严格的先后顺序排成队列，而队列尾部则用于标识当前最后一个获取锁的线程。

#### 3.3 CLH队列的操作流程

CLH队列的操作流程主要包括获取锁和释放锁两个过程。在获取锁的过程中，线程会将自己的锁节点添加到队列尾部，并不断自旋等待直到轮到自己获取锁为止；而在释放锁的过程中，线程会简单地将自己的锁节点从队列中移除，然后通知下一个等待者。

#### 3.4 CLH与Node锁队列的比较

相比于Node锁队列，CLH队列采用了显式的等待者顺序排队，使得锁的竞争更加公平。此外，CLH队列采用自旋的方式等待锁的释放，减少了线程上下文切换的开销，提高了并发性能。因此，CLH队列在一些高并发场景下表现更加出色。

通过对CLH锁队列的深入理解，我们可以更好地把握AQS在实现锁机制时的内部原理，为接下来的AQS源码解析和实例演示奠定基础。

# 4. AQS的实现原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中的一个核心类，用于实现同步器的底层框架。它提供了一套用于构建锁和其他同步组件的基本功能，并作为大部分并发工具的基础。本节将介绍AQS的实现原理。

### 4.1 AQS中的Sync队列

AQS中的Sync队列是AQS的核心数据结构之一，用于管理线程和同步状态的关系。Sync队列是一个双向链表，其中的每个节点都代表一个等待获取锁的线程。Sync队列由两部分组成：头节点和等待节点。头节点表示当前获取锁的线程，而等待节点则表示正在等待获取锁的线程。

### 4.2 AQS的基本操作：acquire与release

在AQS中，通过acquire和release两个基本操作实现同步器的获取和释放。acquire操作用于获取同步状态，如果获取失败，则线程会被加入到Sync队列中进行等待；release操作用于释放同步状态，并唤醒等待队列中的线程。

acquire操作的具体实现方法会根据同步器的类型而有所不同，而release操作的实现则相对简单，主要是将当前线程持有的同步状态置为释放状态，并唤醒等待队列中的线程。

### 4.3 AQS的state状态管理

AQS中的state状态是同步器的核心属性之一，用于表示同步状态，并根据具体的同步逻辑进行相应的变化。在AQS中，state的值大于0表示已经被占用，而0则表示未被占用。

在同步器的获取和释放操作中，state的状态会发生变化。当一个线程获取同步状态时，state的值会减少；而当一个线程释放同步状态时，state的值会增加。通过对state的管理，AQS可以实现线程的排队和唤醒操作。

上述是AQS的实现原理的基本概述，下面将通过代码分析具体了解AQS的实现细节。

# 5. 代码分析

在本章节中，我们将通过实际的代码示例，深入分析Node与CLH锁队列的核心代码，以及AQS相关代码的分析。我们还将演示基于Node与CLH锁队列的实例，来帮助读者更好地理解其原理和应用。

#### 5.1 Node与CLH锁队列的核心代码解读

首先，让我们来看一段基于Java语言的Node锁队列的核心代码。

// Node的数据结构
static final class Node {
    // 节点的状态
    volatile int waitStatus;
    // 前驱节点
    volatile Node prev;
    // 后继节点
    volatile Node next;
    // 节点中的线程
    volatile Thread thread;
    // 同步状态
    volatile int status;
}

以上代码中，定义了Node的数据结构，包括了节点的状态、前驱节点、后继节点、节点中的线程以及同步状态。这些属性构成了Node锁队列的基本数据结构。

接下来，我们来看一段基于Java语言的AQS的核心代码示例。

// AQS的基本操作：acquire与release
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

以上代码中，acquire方法与release方法是AQS的基本操作之一。acquire方法用于获取锁资源，而release方法用于释放锁资源。这些方法构成了AQS的核心操作。

#### 5.2 AQS相关代码分析

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个用于构建同步器的抽象类，它在J.U.C（java.util.concurrent）包中发挥着至关重要的作用。下面是AQS的一段关键代码示例。

// AQS的State状态管理
private volatile int state;

protected final int getState() {
    return state;
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

以上代码中，state是AQS中用于表示同步状态的变量。在AQS中，通过getState方法获取同步状态，通过setState方法修改同步状态。这些方法对于AQS的实现原理至关重要。

#### 5.3 基于Node与CLH锁队列的实例演示

为了更好地理解Node与CLH锁队列的原理和应用，下面我们将演示一个基于Java语言的Node与CLH锁队列的实例。

// 演示代码示例
public class CLHDemo {
    private static final Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Worker()).start();
        }
    }

    private static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                // 执行任务
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

以上演示代码中，我们使用了ReentrantLock来演示CLH锁队列的实例。通过多个线程对共享资源进行加锁和解锁操作，可以更好地理解Node与CLH锁队列的工作原理。

通过以上代码分析和实例演示，读者可以更深入地了解Node与CLH锁队列的核心代码以及AQS相关代码的实际应用场景。

这里需要说明的是，以上代码仅用于演示说明，实际的Node与CLH锁队列的实现原理远比这复杂，涉及到线程调度、自旋等更多细节，读者可以在实际项目中进一步深入研究。

希望通过本章的讲解和演示，读者能对Node与CLH锁队列的核心代码和AQS相关代码有更深入的理解。

# 6. 总结与展望

### 6.1 AQS的优点与不足

AQS作为一个用于实现锁和同步器的框架，具有以下优点：
- **灵活性高**：AQS提供了一种灵活的方式来实现不同类型的锁和同步器，可以根据实际需求进行扩展和定制。
- **高性能**：AQS使用了一些高效的数据结构和算法，能够在多线程环境下提供高性能的锁和同步器。
- **可扩展性好**：AQS提供了一系列钩子方法，可以在子类中进行扩展和定制，满足不同场景下的需求。

然而，AQS也存在一些不足之处：
- **复杂性高**：AQS的实现原理相对复杂，需要深入理解其内部机制才能正确使用和扩展，这给开发人员带来了一定的学习成本。
- **并发场景不适用**：AQS主要用于多线程环境下的同步和互斥控制，对于高度并发的场景，可能存在性能瓶颈。

### 6.2 Node与CLH锁队列的应用场景

Node和CLH锁队列在AQS中的应用场景主要包括：
- **独占锁**：Node和CLH锁队列可以用于实现独占锁，比如ReentrantLock等。
- **共享锁**：Node和CLH锁队列也可以用于实现共享锁，比如ReadWriteLock等。

在实际应用中，Node和CLH锁队列可以用于解决多线程竞争资源的同步和互斥问题。通过使用AQS提供的Node和CLH锁队列，我们可以实现自定义的锁和同步器，满足特定场景下的需求。

### 6.3 对AQS与Node、CLH进行进一步研究的挑战和展望

AQS作为Java并发编程中的核心组件之一，一直是研究和探索的热点。然而，AQS的实现原理和内部机制仍然存在许多待解决的问题和挑战，例如：
- **内存模型一致性**：如何保证AQS的内部状态在多线程环境下的一致性和可见性。
- **性能优化**：如何进一步优化AQS的性能，提高锁和同步器的吞吐量和响应速度。
- **并发测试**：如何编写有效的并发测试用例，发现潜在的竞态条件和死锁问题。

未来，我们可以继续研究和探索AQS与Node、CLH锁队列的更深层次应用，通过深入理解AQS的实现原理，来提升并发编程的效率和质量。