Java中的AQS

什么是AQS

AQS是Java中的一个抽象队列同步器（AbstractQueuedSynchronizer）类，它提供了一种实现同步器的框架和实现方式。它是Java并发编程中的一个重要组成部分，广泛用于实现ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等同步工具类。

AQS的核心思想是利用一个先进先出（FIFO）的双向队列来管理线程的竞争和等待。AQS提供了两种模式：独占模式和共享模式。独占模式是指只有一个线程可以持有同步状态，如ReentrantLock；共享模式是指多个线程可以同时持有同步状态，如Semaphore。

AQS的具体实现方式是通过维护一个volatile变量state表示同步状态，当state为0时表示没有线程占用同步状态，当state为1时表示有一个线程占用同步状态。当多个线程竞争同步状态时，只有一个线程可以成功占用同步状态，其余线程将加入到AQS的同步队列中等待。当占用同步状态的线程释放同步状态时，AQS会从同步队列中选择一个线程唤醒，使其重新尝试获取同步状态。

总之，AQS提供了一种高效且灵活的实现同步器的方式，可以满足不同的并发编程需求。

AbstractQueuedSynchronizer方法解析

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发编程中的一个基础框架，它提供了一种实现同步器的通用方法。AQS内部维护了一个同步队列，通过“自旋”和“阻塞”两种方式来实现同步操作。

AQS提供了一些核心方法，其含义和作用如下：

• acquire(int arg): 尝试获取同步状态，如果获取失败则加入同步队列并阻塞等待唤醒，直到获取同步状态成功。参数arg表示获取同步状态所需的资源数量。

• tryAcquire(int arg): 尝试获取同步状态，如果获取成功则返回true，否则返回false。参数arg表示获取同步状态所需的资源数量。

• release(int arg): 释放同步状态，通知其他线程可以尝试获取同步状态。参数arg表示释放的资源数量。

• tryRelease(int arg): 尝试释放同步状态，如果释放成功则返回true，否则返回false。参数arg表示释放的资源数量。

• acquireInterruptibly(int arg): 尝试获取同步状态，如果获取失败则加入同步队列并阻塞等待唤醒，直到获取同步状态成功或者被中断。参数arg表示获取同步状态所需的资源数量。

• acquireShared(int arg): 尝试获取共享同步状态，如果获取失败则加入同步队列并阻塞等待唤醒，直到获取共享同步状态成功。参数arg表示获取共享同步状态所需的资源数量。

• tryAcquireShared(int arg): 尝试获取共享同步状态，如果获取成功则返回非负数，否则返回负数。返回值表示当前线程获取到的共享资源数量。参数arg表示获取共享同步状态所需的资源数量。

• releaseShared(int arg): 释放共享同步状态，通知其他线程可以尝试获取共享同步状态。参数arg表示释放的资源数量。

• tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout): 在规定时间内尝试获取同步状态，如果获取失败则加入同步队列并阻塞等待唤醒，直到获取同步状态成功或者超时。参数arg表示获取同步状态所需的资源数量，参数nanosTimeout表示等待超时时间。

AQS提供了一些核心方法来实现同步操作，可以用于实现不同类型的同步器，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。这些方法可以满足不同的并发编程需求，需要根据具体的场景选择合适的同步方式和同步策略。

自旋与阻塞

自旋和阻塞是Java并发编程中两种不同的线程等待方式。

自旋是指线程在等待某个条件满足时，不断地循环检查条件是否满足，如果不满足就一直循环等待，直到条件满足。自旋的好处是可以减少线程上下文切换的开销，因为线程一直处于执行状态，不需要进行线程状态的切换。但是自旋需要占用CPU资源，如果自旋时间过长会导致CPU资源浪费，降低系统性能。

阻塞是指线程在等待某个条件满足时，将自己挂起，不再占用CPU资源，直到条件满足时再被唤醒继续执行。阻塞的好处是可以释放CPU资源，避免浪费，但是阻塞需要进行线程状态的切换，如果线程频繁地阻塞和唤醒会增加系统开销。

在Java中，阻塞通常是通过调用wait()方法或者阻塞式IO来实现的，而自旋通常是在锁等待时实现的。例如，在ReentrantLock中，当线程尝试获取锁失败时，它会在同步队列中自旋等待锁的释放，直到锁被释放或者等待时间超过一定阈值才会阻塞等待。因此，在选择线程等待方式时需要根据具体的场景和需求进行权衡和选择

ReentrantLock，Semaphore以及CountDownLatch对比

ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch都是Java并发编程中常用的同步工具类，它们都使用了AQS的实现方式。

ReentrantLock（可重入锁）：是一种独占锁，它允许一个线程多次获取锁，支持公平锁和非公平锁。与synchronized关键字相比，ReentrantLock提供了更多的灵活性和功能，如可中断锁、限时锁、公平锁等。

Semaphore（信号量）：是一种共享锁，它用于控制对资源的访问数量。Semaphore维护了一个计数器，当有线程获取信号量时，计数器减1，当计数器为0时，其他线程需要等待。Semaphore可以用于实现限流、资源池等功能。

CountDownLatch（倒计时器）：是一种同步工具类，它可以让一个或多个线程等待其他线程执行完毕后再继续执行。CountDownLatch维护了一个计数器，当计数器为0时，等待的线程可以继续执行。它可以用于协调多个线程的执行顺序。

总之，ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch都是Java并发编程中非常有用的同步工具类，可以帮助我们更好地控制多线程的并发访问和协调多线程的执行。在使用这些工具类时，需要注意线程安全和性能问题，以及选择合适的同步策略。

ReentrantLock实现原理

原理

获取锁：当一个线程请求获取锁时，ReentrantLock会首先尝试获取锁，如果锁未被占用，则该线程可以立即获取锁；否则，该线程将被加入到同步队列中等待获取锁。

可重入性：如果当前线程已经持有锁，那么它可以重复获取该锁，而不需要重新等待。为了实现可重入性，ReentrantLock需要维护一个记录锁持有者的ThreadLocal变量，以及一个记录锁持有次数的计数器。

公平性和非公平性：ReentrantLock支持公平锁和非公平锁。公平锁是指多个线程获取锁的顺序与它们加入同步队列的顺序相同；非公平锁则不保证获取锁的顺序与加入队列的顺序相同。在公平锁模式下，线程获取锁的顺序是有序的，但是会降低并发性能；在非公平锁模式下，线程获取锁的顺序是不确定的，但是可以提高并发性能。

释放锁：当一个线程释放锁时，ReentrantLock会将state变量置为0，以表示该锁已经被释放。同时，它会从同步队列中选择一个等待的线程唤醒，使其重新尝试获取锁。如果当前线程还持有该锁，那么需要将计数器减1，直到计数器为0才能完全释放锁。

ReentrantLock源码中compareAndSetState的方法

在ReentrantLock的源码中，比较并交换（CompareAndSet）状态值是实现锁的核心部分之一。在ReentrantLock中，状态值的改变可以表示锁的获取和释放，因此状态值的比较并交换是实现锁的关键。

在ReentrantLock中，状态值是由AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的内部类Node中的state字段表示的。具体来说，当线程获取锁时，它会创建一个Node节点并尝试将状态值从0（表示锁未被占用）改变为1（表示锁已被占用）。当线程释放锁时，它会将状态值从1改变为0，表示锁已被释放。

在AQS中，compareAndSetState(int expect, int update)方法用于比较并交换状态值。具体来说，该方法会比较当前状态值是否等于expect，如果是则将状态值修改为update，否则不进行修改。这个方法是原子的，可以保证状态值的改变是线程安全的。在ReentrantLock中，使用compareAndSetState方法实现锁的获取和释放，比如在获取锁时将状态值从0修改为1，在释放锁时将状态值从1修改为0。

下面是ReentrantLock源码中compareAndSetState方法的具体实现：

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

该方法调用了unsafe类的compareAndSwapInt方法，该方法是一个本地方法，用于实现原子的比较并交换操作。其中，this表示当前对象，stateOffset表示state字段在对象中的偏移量，expect表示期望的状态值，update表示要修改的状态值。如果当前状态值等于expect，则将状态值修改为update并返回true，否则返回false。

总之，ReentrantLock中的compareAndSetState方法实现了状态值的原子性修改，是实现锁的关键部分之一。

Semaphore实现原理

Semaphore是一个计数信号量，它可以用于控制同时访问某个资源的线程数量。Semaphore内部维护了一个计数器，表示可以访问资源的线程数量，线程在访问资源时需要先获取Semaphore的许可，当计数器的值大于0时，线程可以获取许可并访问资源，计数器的值减一；当计数器的值为0时，线程需要等待其他线程释放许可才能获取许可并访问资源。

Semaphore的实现原理主要是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）类，Semaphore通过AQS实现了许可的获取和释放，并且保证了线程之间的互斥和同步。

Semaphore的实现可以分为两个部分：获取许可和释放许可。

1. 获取许可
   Semaphore的acquire方法用于获取许可，如果当前有可用的许可则获取成功，如果没有则线程会被阻塞等待。acquire方法的具体实现如下：

public void acquire() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

acquire方法内部调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法，该方法实现了阻塞等待。如果当前计数器的值大于0，线程可以获取许可并将计数器的值减一，如果计数器的值为0，则线程会被阻塞等待其他线程释放许可。在AQS中，线程的阻塞等待是通过将线程添加到同步队列中实现的。

2. 释放许可
   Semaphore的release方法用于释放许可，如果当前没有线程等待许可则将许可的数量加一，如果有线程等待许可则唤醒一个等待线程并将许可的数量加一。release方法的具体实现如下：

public void release() {sync.releaseShared(1);
}

release方法内部调用了AQS的releaseShared方法，该方法实现了许可的释放和等待线程的唤醒。如果当前有等待线程，则会从同步队列中唤醒一个线程，让其获取许可并执行；如果当前没有等待线程，则将许可的数量加一。

Semaphore是基于AQS实现的一个计数信号量，通过计数器实现了对许可的控制，并通过同步队列实现了线程之间的同步和互斥。Semaphore的实现为线程的访问资源提供了一个简单而可靠的机制。

CountDownLatch实现原理

CountDownLatch是一种同步工具，它可以让某个线程一直等待直到其他所有线程都执行完毕。CountDownLatch内部维护了一个计数器，线程在执行完毕后调用CountDownLatch的countDown方法将计数器的值减一，等待线程调用await方法等待计数器的值变为0，当计数器的值变为0时，等待线程继续执行。

CountDownLatch的实现原理主要是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）类，CountDownLatch通过AQS实现了计数器的减少和等待，并且保证了线程之间的互斥和同步。

CountDownLatch的实现可以分为两个部分：计数器的减少和等待计数器变为0。

1. 计数器的减少
   CountDownLatch的countDown方法用于减少计数器的值，该方法会将计数器的值减一，并唤醒正在等待的线程。countDown方法的具体实现如下：

public void countDown() {sync.releaseShared(1);
}

countDown方法内部调用了AQS的releaseShared方法，该方法实现了许可的释放和等待线程的唤醒。如果当前有等待线程，则会从同步队列中唤醒一个线程，让其执行；如果当前没有等待线程，则将许可的数量加一。

2. 等待计数器变为0
   CountDownLatch的await方法用于等待计数器的值变为0，如果当前计数器的值不为0，则等待线程会被阻塞等待。await方法的具体实现如下：

public void await() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

await方法内部调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法，该方法实现了阻塞等待。如果当前计数器的值为0，线程可以直接继续执行；如果计数器的值不为0，则线程会被阻塞等待其他线程调用countDown方法将计数器的值减少。

总之，CountDownLatch是基于AQS实现的一个同步工具，通过计数器实现了对线程的控制，并通过同步队列实现了线程之间的同步和互斥。CountDownLatch的实现为多个线程之间的同步提供了一个简单而可靠的机制。