深入理解AQS的CLH队列

前言

我们知道，AQS定义了两种队列，同步等待队列（CLH队列）和条件等待队列（CONDITION队列），在学习AQS的过程中对这两个队列总是有种雾蒙蒙的感觉，到底是怎么入队、阻塞、唤醒、出队的？到底是怎么保证并发安全的？本文以ReentrantLock来对CLH队列进行深度剖析，详细介绍CLH的结构，入队、出队过程，阻塞和唤醒过程，以及其中的并发安全问题

本文属于进阶分析，需要熟悉AQS的基本属性和方法

一、CLH队列的结构和初始化

1.结构

如下图所示，是一个双向链表，由node组成，head和tail分别指向头节点和尾节点。node有pre、next、thread、waitStatus这几个属性，队列初始时新建一个node节点，其pre、next、thread为null，waitStatus为0。每个节点的waitStatus是后续节点是否能被唤醒的信号（后面会详细介绍）

CLH队列用到的3种waitStatus：0：初始，1：取消，-1：需要唤醒

//表示线程已取消：由于在同步队列中等待的线程等待超时或中断
//需要从同步队列中取消等待，节点进入该状态将不会变化（即要移除/跳过的节点）
static final int CANCELLED =  1;
//表示后继节点处于park，需要唤醒：后继节点的线程处于park，而当前节点
//的线程如果进行释放或者被取消，将会通知（signal）后继节点。
static final int SIGNAL = -1;
//节点的等待状态，初始值为0
volatile int waitStatus;

2.初始化

在入队的时候，如果tail为null，说明队列还未初始化，需要初始化。新建一个node，node中的thread、pre和next均为null，cas将head指向该node，初始化就完成了。

 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;
                }
            }
        }
    }

二、阻塞和唤醒时，CLH队列入队和出队过程

先说一般情况，我们以如下代码为例，t0线程先获取到了锁，0.5s后t1进入CLH队列进行等待，又0.5s后t2进入CLH队列进行等待，2s后t0线程执行完释放锁，t1获取锁，又2s后t1线程执行完释放锁，t2获取锁，再2s后t2执行完释放锁

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    public static void reentrantLock() throws InterruptedException {
   
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        lock.lock();
        log.info("Thread:{},加锁成功!",threadName);
        Thread.sleep(2000);
        lock.unlock();
        log.info("Thread:{},锁退出同步块",threadName);
    }

    public static void main(String[] args) {
   
        Thread t0 = new Thread(new Runnable() {
   
            @Override
            public void run() {
   
                try