AQS

AQS 介绍

AQS 的全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

AQS 类

AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单高效地构造同步器，比如 ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。

AQS 原理分析

AQS 核心思想是：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，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制 AQS 是用 CLH 队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到该队列中。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten) 队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系），AQS 是将每条请求共享资源的线程封装成一个 CLH 锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配。

AQS原理图

AQS 内部使用一个 int 成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS 使用 CAS 对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state; // 共享变量，使用 volatile 修饰保证线程可见性

状态信息通过 protected 类型的 getState()，setState()，compareAndSetState() 进行操作

// 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;
}

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

AQS 对资源的共享方式

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，其中又可分为公平锁和非公平锁：
- 公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁；
- 非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的。
Share（共享）：多个线程可同时执行，如 Semaphore/CountDownLatch、Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock（读写锁）可以看成是组合式，因为 ReentrantReadWriteLock 允许多个线程同时对某一资源进行读。

不同的自定义同步器，争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时，只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS 已经在顶层实现好了。

AQS 底层使用了模板方法模式

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，一般的方式是这样：

使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer，并重写指定的方法（这些重写方法是对共享资源 state 的获取和释放）;
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，需要重写下面几个 AQS 提供的模板方法：

isHeldExclusively();  // 该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它

tryAcquire(int);  // 独占方式：尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false

tryRelease(int);  // 独占方式：尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false

tryAcquireShared(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

tryReleaseShared(int);  // 共享方式：尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false

默认情况下，每个方法都抛出 UnsupportedOperationException，这些方法的实现必须是内部线程安全的，并且通常应该简短而不是阻塞。AQS 类中的其他方法都是 final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用。

以 ReentrantLock 为例，state 初始化为0，表示未锁定状态。A线程 lock() 时，会调用 tryAcquire() 独占该锁并将 state+1。此后，其他线程再 tryAcquire() 时就会失败，直到A线程 unlock() 到 state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证 state 是能回到零态的。

再以 CountDownLatch 以例，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）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后 countDown() 一次，state 会 CAS(Compare and Swap) 减1，等到所有子线程都执行完后(即 state=0)，会 unpark() 主调用线程，然后主调用线程就会从 await() 函数返回，继续后面的动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现 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。

AQS 组件总结

Semaphore(信号量)： synchronized 和 ReentrantLock 都是只允许一个线程访问某个资源，Semaphore 可以指定多个线程同时访问某个资源；
CountDownLatch （倒计时器）： CountDownLatch 是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行；
CyclicBarrier(循环栅栏)： CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用 await() 方法告诉 CyclicBarrier 已到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

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AQS 对资源的共享方式

AQS 底层使用了模板方法模式

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