【并发编程JUC】AQS详解

定义理解

AQS，全称为AbstractQueuedSynchronizer，是Java并发包（java.util.concurrent）中的一个框架级别的工具类，用于构建锁和同步器。它是许多同步类的基础，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等，都是通过实现AQS的模板方法来实现其内部同步逻辑的。

1. 同步状态：AQS使用一个volatile int类型的变量来表示同步状态，通过内置的FIFO（先进先出）队列（也称为CLH队列，一个虚拟的双向队列）来完成获取资源线程的排队工作。这个状态变量是线程共享的，用于表示同步资源的状态。
2. CLH队列：CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列是AQS内部用于管理等待获取同步状态的线程的队列。它是一个虚拟的双向队列，即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系。每个等待获取锁的线程都被封装成一个队列的节点（Node）。(将没有获取锁的线性封装成节点)
   

理解锁和同步器的关系

• 锁（Lock）：锁是面向使用者的，它定义了使用者与锁交互的接口，比如允许两个线程并行访问某个资源，但隐藏了实现细节。锁是一个更高级的同步机制，它提供了比synchronized关键字更丰富的功能和灵活性。常见的锁实现有ReentrantLock等。
• 同步器（AbstractQueuedSynchronizer, AQS）：同步器是面向锁的实现者的，它简化了锁的实现方式，屏蔽了同步状态管理、线程的排队、等待与唤醒等底层操作。同步器是构建锁和其他同步组件的基础框架，通过提供一套模板方法，使得开发者能够轻松地实现自定义的同步逻辑。
• 锁的实现依赖于同步器：在锁的实现中，通常会聚合同步器（AQS）来实现锁的语义。同步器为锁提供了必要的同步机制，如线程的排队、等待与唤醒等，从而简化了锁的实现复杂度。

AQS结构

梳理结构

• Lock是Java并发包（java.util.concurrent.locks）中的一个接口
• ReentrantLock是Lock接口的一个具体实现，它提供了可重入的互斥锁。
• Sync是ReentrantLock中的一个内部抽象类，它继承自AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。
• FairSync是ReentrantLock中的一个内部类，它继承自Sync类。
• NonfairSync同样是ReentrantLock的一个内部类，也继承自Sync类
• AQS是Java并发包中的一个基础类，用于构建同步器（如锁和其他同步组件）。

Lock接口定义了锁的基本行为；ReentrantLock是Lock接口的一个具体实现，提供了可重入的互斥锁；Sync是ReentrantLock的内部抽象类，用于提供锁的基本实现机制；FairSync和NonfairSync是Sync的两个子类，分别实现了公平锁和非公平锁的逻辑；AQS则是ReentrantLock等同步器实现同步功能的基础。这些组件共同构成了Java并发包中强大的锁机制。

非公平锁源码如下：

公平锁源代码如下：

在非公平锁中，由于新到来的线程有可能直接尝试获取锁（而不需要排队），因此唤醒机制需要灵活处理。

模拟示例

假设有三个线程A、B、C都试图获取同一个ReentrantLock的锁（该锁以非公平模式配置）。

线程A的行为

1. 尝试获取锁：线程A首先调用lock()方法，该方法内部会尝试通过compareAndSetState(0, 1)将锁的状态从0（未锁定）更改为1（锁定）。如果当前没有其他线程持有锁（即锁状态为0），则线程A成功获取锁。
2. 执行业务逻辑：线程A在获取锁之后执行其业务逻辑。

线程B和C的行为（几乎同时）

当线程A持有锁时，线程B和C尝试获取锁。

1. 调用acquire(1)：线程B和C都调用acquire(1)方法，该方法是非公平锁获取锁的主要入口。
2. 尝试非公平获取锁：acquire(1)内部调用tryAcquire(1)，进而调用nonfairTryAcquire(1)。nonfairTryAcquire(1)首先检查当前锁状态是否为0（即未锁定），如果是，则尝试通过compareAndSetState(0, 1)获取锁。但由于线程A已经持有锁，所以B和C的这一步都会失败。（如果占用线程和当前线性为同一线程时，即为可重入锁）
3. 添加等待者：由于nonfairTryAcquire(1)返回false，线程B和C都会调用addWaiter()方法将自己封装成一个节点（Node），并通过enq(node)方法将节点加入到等待队列中。如果队列为空（即还没有其他线程在等待），则初始化头节点（head）并设置尾节点（tail）为新加入的节点。否则，将新节点添加到队尾。
4. 进入等待队列并等待：线程B和C在加入等待队列后，会调用acquireQueued(node, 1)方法。在这个方法中，线程会进入一个自旋循环，不断检查前驱节点的状态，并尝试通过park()方法使自己进入等待状态（阻塞）。如果前驱节点的状态是SIGNAL（-1），则线程会通过LockSupport.park(this)被阻塞，直到被唤醒。

线程A释放锁

1. 释放锁：当线程A完成其业务逻辑后，会调用unlock()方法来释放锁。这会将锁的状态从1改回0，并唤醒等待队列中的一个线程（如果有的话）。
2. 唤醒等待线程：在释放锁的过程中，unlock()方法会调用LockSupport.unpark(thread)来唤醒等待队列中的一个线程。由于是非公平锁，被唤醒的线程不一定是等待时间最长的线程（即队列的头部线程）。

线程B或C被唤醒

被唤醒的线程（可能是B也可能是C，这取决于线程调度器的决策）会重新进入acquireQueued(node, 1)方法的自旋循环，并再次尝试获取锁。如果此时锁已被释放（即状态为0），则该线程可能会成功获取锁并退出自旋循环，继续执行其业务逻辑。