AQS分析第一篇（AQS是什么，有什么用，数据结构）

问题是最好的老师！

一、思考

第一篇并不深究AQS的实现原理，简单的解决以下几个问题，如果您可以轻松回答出以下问题，可跳过该篇。

• 问题一：AQS是什么？其使用场景在哪里？

看过JUC源码的大概都了解ReetrantLock是借助AQS实现的，那么AQS到底提供了怎样的功能，除了ReetrantLock还有哪些地方用到了AQS。

• 问题二：AQS的数据结构？

AQS的全名叫AbstractQueueSynchronizer，顾名思义，其是一个抽象类，且内部维护了一个队列，其主要目的跟同步有关，那么这是一个怎样的队列，该队列代表了什么，存储了什么。

二、源码分析 

• 注释翻译

如同阻塞队列那篇博文一样，在不知道AQS设计初衷的情况下，先从注释找答案，注释翻译如下：

提供了一个依赖于先进先出等待队列数据结构的框架，其目的是为了实现阻塞锁和一些相关的同步工具。该类设计的初衷是成为一个有用的基类，为大多数同步工具提供服务，而这些同步工具都将依赖于一个原子性的整数值来代表状态。实现AQS的子类必须定义父类受保护的方法去改变这个状态，并定义该状态对于正在获取或释放的对象的含义。有了这些，该类中的其他方法执行所有排队和阻塞机制。子类可以维护其他状态属性，但是只有通过父类的getState(),setState(),compareAndSetState()方法去原子性的更新父类的state属性才被认为是有效的同步操作。

 继承AQS的子类应该被设计为一个非公开的内部类，起到辅助外部类实现同步属性的作用 。AQS本身不实现任何同步接口。相反，它定义了acquireInterruptibly等方法，这些方法可以被具体的锁和相关的同步器适当地调用，以实现它们的公共方法。

该类支持默认的独占模式或者共享模式，或者两者同时支持。当采用独占模式获取时，其他尝试获取的线程将不会成功。多线程采用共享模式同时获取可能会成功。这个类并不知道前面所讲的这种共享锁 和独占锁的差异，当一个共享模式获取成功，下一个线程（如果存在）也必须确定它是否可以同时获得。在不同模式上等待的线程将会共用同一个先进先出队列。通常实现AQS的子类只支持一种模式，但是也可以同时支持两种模式比如ReadWriteLock。实现AQS的子类如果只支持一种模式就没必要定义另一个模式的方式。

 该类定义了一个内嵌的ConditionObject类，该类可以被支持独占模式的子类（isHeldExclusively方法表明了是否当前线程独占，用当前getState的结果作为入参调用release方法将会完全释放对象，用给定的state的保存值调用accquire方法，最终会将对象恢复到其上一个状态）用作Condition的一个实现。除了AQS方法之外，没有其它方法会创建这样一个Condition的实现，所以如果不能满足此约束，就不要使用AQS。ConditionObject的行为当然还是取决于它的同步器实现的语义。

该类提供了内部队列的检索，检测以及监控方法。为Condtion对象也提供了类似的方法，这些可以根据需要导出到借助AQS实现同步的类中。 

该类序列化之后，只会存储state属性，所以反序列化之后，队列为空。如果子类需要支持序列化功能，需要自己定义readObject方法通过反序列化将state恢复到一个已知值。

•  数据结构分析

为了搞清楚AQS的队列的数据结构，必然得先搞懂队列中每一个节点（Node）的数据结构。

Node属性：

//由此可以看出AQS维护的是一个双向队列，那么为什么其要维护一个双向队列呢，请看后文分析
volatile Node next;
volatile Node prev;

//AQS是一个并发同步框架，那么队列存储的数据必然是阻塞线程
volatile Thread thread;

//注释翻译中有写AQS支持独占和共享两种模式，先不讨论怎么实现的，从注释可知这两个字段代表如下：

//注意：这两个字段并不会指向新的引用（随着Node初始化进行初始化），所以一定是其他指针指向这两个节 
// 点,具体是谁指向它请看后文分析。这只是第一篇，我们先了解这个数据结构。
static final Node SHARED = new Node();//表明当前Node代表的线程以共享模式等待
static final Node EXCLUSIVE = null;//表明当前Node代表的线程以阻塞模式等待


//由于截止目前未看过相关对以下这几个字段的解释，所以先根据注释进行翻译

//该字段的取值详情请看下面
//其取值采用数值排列是为了简化应用，非负值表示当前节点不需要进行通知。因此大多数的代码不要检查特 
// 定的值，只需要检查符号（正负）即可。
//该属性初始值为0表示标准的同步节点，对于普通同步节点，该值初始化为0，对于Condition节点，该字段 
// 初始化为CONDITION（-2）。一般使用CAS(或者在可能的情况下，无条件的volatile写)修改其值
 volatile int waitStatus;

//指向下一个在某个条件上等待的节点。或者指向一个特殊的值SHARED，前面我们分析过，SHARED字段必定有 
//某个引用指向它，在这里得到证实，即nextWaiter会指向SHARED，那么我们是否可以理解为只要当前节点的 
// nextWaiter为SHARED，就标识当前节点以共享模式等待呢，这里只是猜测，等分析源码进行论证，还要论 
// 证其是否会指向EXECLUSIVE从而标识当前节点以独占模式等待。
// Node nextWaiter;


//waitStatus取值(这里只是根据注释翻译一下，具体什么意思，等待后续源码分析中看起实际作用才知道)：
//前面有了解到其取值以数值排列简化应用，这里可以看到其具体数值是多少。
//标识当前线程已经取消等待或者叫阻塞
static final int CANCELLED =  1;
//表明当前节点的下一个节点所代表的线程需要被唤醒
static final int SIGNAL    = -1;
//表明当前线程在等待某个条件而阻塞
static final int CONDITION = -2;
//表明当前线程下一次通过accquieShared获取资源时应无条件传播（这里的传播是什么意思，后面深入源码 
// 再理解），这里暂时这样翻译，不知道对不对，因为还未读过源码。
static final int PROPAGATE = -3;

在了解了Node的数据结构之后，我们再来分析AQS的数据结构：

AQS存在两个属性：

//注释中已经提到AQS的实现基于FIFO队列，所以必然有队头和队尾节点，那么AQS采用的是单向还是双向队列 
// 呢，请看后文分析（深入源码之后）。


//队列的头部，使用懒汉式方式进行初始化。除了初始化之外，该值只能通过setHead方法进行修改。注意：如果 
//head存在（不为空），它的waitStatus一定要保证不为CANCELLED（为什么这样限制，后续源码深入分析）。 
//但是通过前面分析，我们知道waitStatus非负代表其不通知，CANCELLED为1，那么这里是否可以理解为头结点 
// 一定会通知（唤醒）后续节点，待后续论证。但是稍稍看了源码的都知道head的初始化只是new了一个新的 
//Node，并未代表任何线程，初始化时其waitStatus为0（所有Node初始化时都为0），而waitStatus非负代表 
//其不通知，那么我们猜测看定会有某个方法会设置Node的waitStatus为负数，从而通知（唤醒）后面的线程， 
//关于这一点也需要论证


private transient volatile Node head;

//队列的尾节点，只能通过enq方法增加一个新的等待节点去修改它
private transient volatile Node tail;

至此我们可以大概画出AQS的数据结构，如下：

 

三、回答开篇 

• 问题一：AQS是什么？其使用场景在哪里？

答：AQS是一个同步框架，通过维护一个int类型的变量state和一个先进先出队列，实现共享资源的访问控制和线程阻塞，其提供了一些基类实现排队和阻塞机制，子类可以通过继承AQS并重写其提供的抽象类实现一个同步工具，同步工具的语义由子类决定。在JUC包下，通过AQS实现的同步工具类包含以下几个，我们并发工具类源码分析系列会一一分析：

1. ReentantLock
2. ReentantReadWriteLock
3. Semaphore
4. CountDownLatch
5. Worker(ThredPoolExecutor类中)

• 问题二：AQS的数据结构？

答：详情请看上文中数据结构分析。

本文就到这里，下一篇会介绍AQS的使用方式。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

知其然，更要知其所以然...

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------