Java并发之AQS详解

谈到并发，不得不谈AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。

类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。

AQS数据结构

AQS简介

AQS提供了一个基于FIFO队列，可以用于构建锁或者其他相关同步装置的基础框架。该同步器利用了一个int来表示状态，期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。使用的方法是继承，子类通过继承同步器并需要实现它的方法来管理其状态，管理的方式就是通过类似acquire和release的方式来操纵状态。然而多线程环境中对状态的操纵必须确保原子性，因此子类对于状态的把握，需要使用这个同步器提供的以下三个方法对状态进行操作：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.getState()
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.setState(int)
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.compareAndSetState(int, int)

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

同步器与锁

同步器是实现锁的关键，利用同步器将锁的语义实现，然后在锁的实现中聚合同步器。可以这样理解：锁的API是面向使用者的，它定义了与锁交互的公共行为，而每个锁需要完成特定的操作也是透过这些行为来完成的（比如：可以允许两个线程进行加锁，排除两个以上的线程），但是实现是依托给同步器来完成；同步器面向的是线程访问和资源控制，它定义了线程对资源是否能够获取以及线程的排队等操作。锁和同步器很好的隔离了二者所需要关注的领域，严格意义上讲，同步器可以适用于除了锁以外的其他同步设施上(包括锁)。

同步器的开始提到了其实现依赖于一个FIFO队列，那么队列中的元素Node就是保存着线程引用和线程状态的容器，每个线程对同步器的访问，都可以看做是队列中的一个节点。Node的主要包含以下成员变量：

Node {
    int waitStatus;
    Node prev;
    Node next;
    Node nextWaiter;
    Thread thread;
}

以上五个成员变量主要负责保存该节点的线程引用，同步等待队列(sync队列)的前驱和后继节点，同时也包括了同步状态。

属性名称	描述
`int waitStatus`	表示节点的状态。其中包含的状态有： 1. `CANCELLED`，值为`1`，表示当前的线程被取消； 2. `SIGNAL`，值为`-1`，表示当前节点的后继节点包含的线程需要运行，也就是`unpark`； 3. `CONDITION`，值为`-2`，表示当前节点在等待`condition`，也就是在`condition`队列中； 4. `PROPAGATE`，值为`-3`，表示当前场景下后续的`acquireShared`能够得以执行； 5. 值为`0`，表示当前节点在`sync`队列中，等待着获取锁。
`Node prev`	前驱节点，比如当前节点被取消，那就需要前驱节点和后继节点来完成连接。
`Node next`	后继节点。
`Node nextWaiter`	存储`condition`队列中的后继节点。
`Thread thread`	入队列时的当前线程。

节点成为sync队列和condition队列构建的基础，在同步器中就包含了sync队列。同步器拥有三个成员变量：sync队列的头结点head、sync队列的尾节点tail和状态state。对于锁的获取，请求形成节点，将其挂载在尾部，而锁资源的转移(释放再获取)是从头部开始向后进行。对于同步器维护的状态state，多个线程对其的获取将会产生一个链式的结构。

API说明

实现自定义同步器时，需要使用同步器提供的getState()、setState()和compareAndSetState()方法来操纵状态的变迁。

方法名称	描述
`protected boolean tryAcquire(int arg)`	独占方式。尝试获取资源，成功则返回`true`，失败则返回`false`。
`protected boolean tryRelease(int arg)`	独占方式。尝试释放资源，成功则返回`true`，失败则返回`false`。
`protected int tryAcquireShared(int arg)`	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 boolean tryReleaseShared(int arg)`	共享方式。尝试释放资源，成功则返回`true`，失败则返回`false`。
`protected boolean isHeldExclusively()`	该线程是否正在独占资源。只有用到`condition`才需要去实现它。

实现这些方法必须是非阻塞而且是线程安全的，推荐使用该同步器的父类java.util.concurrent.locks.AbstractOwnableSynchronizer来设置当前的线程。

总结

AQS核心是通过一个共享变量来同步状态，变量的状态由子类去维护，而AQS框架做的是：

线程阻塞队列的维护
线程阻塞和唤醒

共享变量的修改都是通过Unsafe类提供的CAS操作完成的。

AbstractQueuedSynchronizer类的主要方法是acquire和release，典型的模板方法，下面这4个方法由子类去实现：

protected boolean tryAcquire(int arg)
protected boolean tryRelease(int arg)
protected int tryAcquireShared(int arg)
protected boolean tryReleaseShared(int arg)

acquire方法用来获取锁，返回true说明线程获取成功继续执行，一旦返回false则线程加入到等待队列中，等待被唤醒，release方法用来释放锁。一般来说实现的时候这两个方法被封装为lock和unlock方法。

AQS数据结构

AQS简介

同步器与锁

API说明

总结

参考资料