執行緒（十八）J.U.C之AQS：CLH同步佇列

在上篇部落格【死磕Java併發】—–J.U.C之AQS：AQS簡介中提到了AQS內部維護著一個FIFO佇列，該佇列就是CLH同步佇列。

CLH同步佇列是一個FIFO雙向佇列，AQS依賴它來完成同步狀態的管理，當前執行緒如果獲取同步狀態失敗時，AQS則會將當前執行緒已經等待狀態等資訊構造成一個節點（Node）並將其加入到CLH同步佇列，同時會阻塞當前執行緒，當同步狀態釋放時，會把首節點喚醒（公平鎖），使其再次嘗試獲取同步狀態。

在CLH同步佇列中，一個節點表示一個執行緒，它儲存著執行緒的引用（thread）、狀態（waitStatus）、前驅節點（prev）、後繼節點（next），其定義如下：

static final class Node {
    /** 共享 */
    static final Node SHARED = new Node();

    /** 獨佔 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**
     * 因為超時或者中斷，節點會被設定為取消狀態，被取消的節點時不會參與到競爭中的，他會一直保持取消狀態不會轉變為其他狀態；
     */
    static final int CANCELLED =  1;

    /**
     * 後繼節點的執行緒處於等待狀態，而當前節點的執行緒如果釋放了同步狀態或者被取消，將會通知後繼節點，使後繼節點的執行緒得以執行
     */
    static final int SIGNAL    = -1;

    /**
     * 節點在等待佇列中，節點執行緒等待在Condition上，當其他執行緒對Condition呼叫了signal()後，改節點將會從等待佇列中轉移到同步佇列中，加入到同步狀態的獲取中
     */
    static final int CONDITION = -2;

    /**
     * 表示下一次共享式同步狀態獲取將會無條件地傳播下去
     */
    static final int PROPAGATE = -3;

    /** 等待狀態 */
    volatile int waitStatus;

    /** 前驅節點 */
    volatile Node prev;

    /** 後繼節點 */
    volatile Node next;

    /** 獲取同步狀態的執行緒 */
    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();
        else
            return p;
    }

    Node() {
    }

    Node(Thread thread, Node mode) {
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    Node(Thread thread, int waitStatus) {
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

CLH同步佇列結構圖如下：

入列

學了資料結構的我們，CLH佇列入列是再簡單不過了，無非就是tail指向新節點、新節點的prev指向當前最後的節點，當前最後一個節點的next指向當前節點。程式碼我們可以看看addWaiter(Node node)方法：

    private Node addWaiter(Node mode) {
        //新建Node
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        //快速嘗試新增尾節點
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            //CAS設定尾節點
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        //多次嘗試
        enq(node);
        return node;
    }

addWaiter(Node node)先通過快速嘗試設定尾節點，如果失敗，則呼叫enq(Node node)方法設定尾節點

    private Node enq(final Node node) {
        //多次嘗試，直到成功為止
        for (;;) {
            Node t = tail;
            //tail不存在，設定為首節點
            if (t == null) {
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                //設定為尾節點
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

在上面程式碼中，兩個方法都是通過一個CAS方法compareAndSetTail(Node expect, Node update)來設定尾節點，該方法可以確保節點是執行緒安全新增的。在enq(Node node)方法中，AQS通過“死迴圈”的方式來保證節點可以正確新增，只有成功新增後，當前執行緒才會從該方法返回，否則會一直執行下去。

過程圖如下：

出列

CLH同步佇列遵循FIFO，首節點的執行緒釋放同步狀態後，將會喚醒它的後繼節點（next），而後繼節點將會在獲取同步狀態成功時將自己設定為首節點，這個過程非常簡單，head執行該節點並斷開原首節點的next和當前節點的prev即可，注意在這個過程是不需要使用CAS來保證的，因為只有一個執行緒能夠成功獲取到同步狀態。過程圖如下：