【深入理解同步器AQS】

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中提供的一个同步器框架，可以用来实现各种同步工具，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。本文将从原理、实现方式、应用场景以及代码实现等方面来深入理解AQS。

1. AQS原理

AQS通过一个FIFO队列来管理线程的竞争，队列中的每个节点都代表一个等待线程，当某个线程请求共享资源时，如果发现有其他线程已经占用了这个资源，它就会被放到队列的尾部等待；当占用资源的线程释放资源时，它会通知队列的头部节点，使它可以重新竞争资源。整个过程就是一个典型的“先进先出”的同步机制。

AQS的核心是一个volatile变量state，通过对state的操作来判断当前线程是否可以获得共享资源。当state为0时，表示当前没有线程占用资源，其他线程可以通过compareAndSetState()方法来竞争资源；当state为1时，表示当前已有线程占用资源，其他线程必须进入队列等待。

此外，AQS还提供了两个方法acquire()和release()来实现单线程对共享资源的获取和释放。

2. AQS实现方式

AQS的实现方式主要包括三个部分：同步状态的管理、等待队列的管理以及线程的阻塞与唤醒。

2.1 同步状态的管理

AQS通过一个volatile变量state来管理同步状态。在AQS中，state代表的是资源的数量，一般情况下，state等于0表示资源没有被占用，大于0表示资源已经被占用。在使用AQS实现同步器时，我们需要根据具体使用场景来赋予state合适的含义。

AQS提供了compareAndSetState()方法来对state进行原子操作，保证并发下的操作的正确性。compareAndSetState()方法的实现代码如下：

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // see below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;

static {
    try {
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

在上面的代码中，我们可以看到，compareAndSetState()方法实际上是通过调用sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法来实现的。

2.2 等待队列的管理

AQS中的等待队列是一个FIFO队列，可以通过同步器提供的acquire()方法向队列中添加一个节点，也可以通过release()方法将头节点出队，唤醒等待队列中的下一个节点。AQS中等待队列的实现是通过一个双向链表来实现的，每个节点都有前驱节点和后继节点。

在AQS中，队列中的每个节点都是一个ConditionObject对象，它是AQS的内部类，继承了Condition接口。ConditionObject实现了Condition接口的所有方法，它能够使线程以安全的方式等待特定的条件。

2.3 线程的阻塞与唤醒

当线程请求共享资源时，如果发现资源已被占用，线程就会被阻塞，并被加入到等待队列中。线程被阻塞后，它就会进入WAITING状态。

在AQS中，线程的阻塞与唤醒是通过LockSupport类来实现的。LockSupport是Java中用于线程阻塞与唤醒的工具类，它提供了park()和unpark()方法来控制线程的阻塞和唤醒。

3. AQS应用场景

AQS广泛应用于Java并发包中的各种同步器，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。它为我们提供了一种可扩展、可重用的同步机制，使我们能够方便地实现各种同步工具。

4. AQS代码实现

下面我们以ReentrantLock为例，演示如何使用AQS实现一个可重入的互斥锁。

Lock接口是Java并发包中提供的一个用于互斥同步的接口，它定义了lock()、unlock()、tryLock()等方法。在AQS中，我们可以通过继承AbstractQueuedSynchronizer类来实现Lock接口的所有方法。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        abstract void lock();
        // 其他方法略
    }

    static final class NonfairSync extends Sync {
        // 具体实现略
    }

    static final class FairSync extends Sync {
        // 具体实现略
    }
}

在上面的代码中，我们可以看到，ReentrantLock中定义了一个Sync类，它继承了AbstractQueuedSynchronizer，Sync类中定义了lock()、unlock()等方法，这些方法实际上是通过调用AQS的acquire()、release()等方法来实现的。

为了提高性能，ReentrantLock还提供了两种Sync的实现方式：NonfairSync和FairSync。NonfairSync采用非公平锁的方式，即线程可以随时争夺锁，无需排队；而FairSync则采用公平锁的方式，即线程按照先来先服务的原则进行排队争夺锁。在ReentrantLock的构造函数中，我们可以根据需要来选择使用哪种Sync的实现方式。

最后，我们来看一下ReentrantLock的lock()方法的实现：

public void lock() {
    sync.acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

在lock()方法中，我们调用了Sync的acquire()方法来获取锁。在acquire()方法中，我们首先调用tryAcquire()方法尝试获取锁，如果获取成功，直接返回；否则，将当前线程加入到等待队列中，并阻塞当前线程。当其他线程释放锁时，acquireQueued()方法会对等待队列中的下一个节点进行唤醒，让它重新尝试获取锁。

总结

通过上述分析，我们可以发现，AQS是Java中用于实现同步器的一个重要框架。借助AQS，我们可以方便地实现各种同步工具，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等，为并发编程提供了强有力的支持。

小故事

从前有个村子，村子里的人们每天都要从家里到集市上买卖东西。为了让大家更有规律地出门，村子里决定修建一座门，每天早上门口一打开，大家就可以出门了。但是，每天出门的人太多了，门口经常会拥堵，导致一些人出门需要等待很长时间。于是，村子里的人又决定在门口添加一个能够控制出门的机制，这个机制能够很好地控制出门的人数，让大家更有规律地出门。

这个门口的机制就像是同步器AQS的底层工作原理。AQS其实就是一种锁的机制，它可以让代码块在并发环境中互斥地执行，避免竞争问题，并提高并发性能。

在同步器AQS的底层实现中，比如ReentrantLock，就是通过“门”的模式进行控制。首先，AQS会维护一个state状态值，它代表着当前的锁状态。当一个线程想要进入同步代码块时，它就需要先尝试去获取锁。如果此时state值为0，那么线程就可以获取到锁，并将state值设置为1，表示它已经拿到了锁。

但是，如果此时state值不为0，那么线程就不能获取到锁，它就需要进入等待状态，等待其他线程释放锁。等待的线程会被放到同步队列中，等待队列中的线程都会被阻塞，直到某个线程释放了锁，才会有一个线程从等待队列中被唤醒并进入同步代码块执行。

这个“门”的机制就是同步器AQS的底层工作原理，通过控制进入同步代码块的线程数，避免竞争问题，让代码块在并发环境中互斥地执行，提高并发性能。