AQS原理解析

1. 什么是AQS

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AQS的全称是AbstractQueuedSynchronizer，即抽象队列同步器，这个类在java.uitl.concurrent.locks包下面。

AQS就是一个抽象类，主要用来构建锁和同步器。

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
}

AQS为构建锁和同步器提供了一些通用功能的实现，因此使用AQS能简单且高效地构建出应用广泛的大量的同步器。
比如常用的ReentrantLock，Semaphore，其他类似ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue等等皆是基于 AQS 的

2. AQS原理

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2.1 AQS核心思想

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AQS核心思想在于：如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。
如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制是基于CLH锁实现的。

CLH锁是对自旋锁的一种改进，是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列不存在队列实例，仅存在结点之间的关系），暂时获取不到锁的线程将被加入到队列中。AQS将每条请求共享资源的线程封装为一个CLH队列锁的一个结点（Node）来实现锁的分配。在CLH队列锁中，一个节点表示一个线程，它保存着线程的引用、当前节点在队列中状态、前驱节点、后继节点。

Node结点的源码如下所示：

abstract static class Node {  volatile Node prev;       // 前驱结点volatile Node next;       // 后继结点 Thread waiter;            // 线程引用volatile int status;      // 线程的状态// methods for atomic operations    final boolean casPrev(Node c, Node v) {  // for cleanQueue  return U.weakCompareAndSetReference(this, PREV, c, v);  }  final boolean casNext(Node c, Node v) {  // for cleanQueue  return U.weakCompareAndSetReference(this, NEXT, c, v);  }  final int getAndUnsetStatus(int v) {     // for signalling  return U.getAndBitwiseAndInt(this, STATUS, ~v);  }  final void setPrevRelaxed(Node p) {      // for off-queue assignment  U.putReference(this, PREV, p);  }  final void setStatusRelaxed(int s) {     // for off-queue assignment  U.putInt(this, STATUS, s);  }  final void clearStatus() {               // for reducing unneeded signals  U.putIntOpaque(this, STATUS, 0);  }  private static final long STATUS  = U.objectFieldOffset(Node.class, "status");  private static final long NEXT    = U.objectFieldOffset(Node.class, "next");  private static final long PREV    = U.objectFieldOffset(Node.class, "prev");  
}

CLH队列结构如下图所示：

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的核心原理图：

AQS使用成员变量state，表示同步状态，通过内置的FIFO线程等待/等待队列来完成获取资源线程的排队工作。
AQS抽象类中内置了head和tail结点。

/**  * Head of the wait queue, lazily initialized. */private transient volatile Node head;  /**  * Tail of the wait queue. After initialization, modified only via casTail. */private transient volatile Node tail;

state变量由volatile修饰，用于展示当前临界资源的获取锁的情况。

private volatile int state;

另外，状态信息state可以通过protected类型的getState（）、setState（）和compareAndSetState（）进行操作。并且，这几个方法都是通过final修饰的，在子类无法被重写。

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {return state;
}// 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {state = newState;
}
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

以可重入的互斥锁ReentrantLock为例，它的内部维护了一个state变量，用来表示锁的占用状态。

1. state的初始值为0，表示锁处于未锁定状态。
2. 当线程A调用了lock（）方法时，会尝试通过tryAcquire（）方法独占锁并让state的值+1。
3. 如果成功了，那么线程A就获取到了锁，如果失败了，那么线程A就会被加入到一个等待队列中（CLH队列）直到其他线程释放该锁。
4. 假设线程A获取锁成功了，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加）。
5. 这是可重入的表现：一个线程可以多次获取同一个锁而不会被阻塞，但是，这也意味着，一个线程必须释放全部次数的锁，
   才可以让state变为0，就是让锁恢复到未锁定的状态。只有这样，其他等待的线程才可以去获取锁。

线程 A 尝试获取锁的过程如下图所示：

倒计时器CountDownLatch为例子：

1. 任务分为N个子线程去执行，state也初始化为N（注意N要与线程个数一致）。
2. 这N个子线程开始执行任务，每执行完一个子线程，就调用一次countDown（）方法。
3. 该方法会尝试使用CAS操作，让state的值减少1。
4. 当所有的子线程执行完毕后，CountDownLatch会调用unpark（）方法，唤醒主线程。
5. 这时主线程就可以从await（）方法（CountDownLatch中的await（）方法而非AQS中的）返回，继续执行后续的操作。

2.2 AQS资源共享方式

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AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore和CountDownLatch）

一般来说，自定义同步器的共享方式要么是独占，要么是共享，他们只需要实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但 AQS 也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

2.3 自定义同步器

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同步器的设计是基于模板方法模式的，如果需要自定义同步器，一般的方式如下：

1. 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法。
2. 将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

AQS使用了模板方法模式，自定义同步器时需要重写下面的几个AQS提供的钩子方法：

//独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryAcquire(int)
//独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryRelease(int)
//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
protected int tryAcquireShared(int)
//共享方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
protected boolean tryReleaseShared(int)
//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
protected boolean isHeldExclusively()