【java并发编程】AQS框架
一、简介
aqs全称抽象队列同步器是AbstractQueuedSynchronize抽象类。
它是一个用来构建锁和同步器的框架，它底层用了CAS技术来保证操作的原子性，同时利用FIFO队列实现线程间的锁竞争，将基础的同步相关抽象细节放在AQS，它能够成为实现大部分同步需求的基础，也是JUC并发包同步的核心基础组件。Lock、ReadWriteLock、CountDowndLatch、CyclicBarrier、Semaphore、ThreadPoolExecutor等都是在AQS的基础上实现的。
二、AQS核心思想
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队列中。
AQS使用一个volatile的state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。
1、具体加锁过程
1、执行tryAcquire方法尝试加锁
2、如果判断当前线程如果是自己，则把state+1，加锁成功。如果不是继续判断当前锁是否空闲（state是否为0），是的话通过cas加锁，返回加锁结果（由子类实现）
3、如果加锁失败，则把当前线程封装进Node对象中，把Node.prev指向tail组成链表结构，如果线程需要阻塞则执行LockSupport.park(this);
2、具体释放锁过程
1、执行tryRelease方法释放锁
2、State进行-1操作，如果是0，则把当前线程ExclusiveOwnerThread置为null。否则设置State-1值
3、如果有等待的线程，则使用LockSupport.unpark唤醒包装了Node的下一个节点的线程
3、aqs图示
主要包含4个字段
- state（同步状态）
- exclusiveOwnerThread（获得锁的 线程）
- head（头节点）
- tail尾节点
aqs分为两种“独占锁”和”共享锁“
- 独占锁 -- 锁在一个时间点只能被一个线程锁占有。 例如：ReentrantLock可重入锁和ReentrantReadWriteLock.WriteLock写锁。
独占锁又分为“公平锁”和“非公平锁”。
- 公平锁，是按照先来先得的规则，公平的获取锁；
- 非公平锁，则当线程要获取锁时，直接抢占获取锁
- 共享锁 -- 能被多个线程同时拥有，能被共享的锁。例如：ReentrantReadWriteLock.ReadLock读锁，CyclicBarrier循环屏障， CountDownLatch计数器和Semaphore信号量
三、aqs实现子类
1、CountDownLatch计数器（常用）
CountDownLatch中count down是倒数的意思，latch则是门闩的含义。整体含义可以理解为倒数的门栓，似乎有一点“三二一，开门后所有线程一起跑”的感觉。
使用方法
首先建立CountDownLatch对象，并且传入参数即为count初始值。如果一个线程调用了await()方法，那么这个线程便进入阻塞状态，并进入阻塞队列。如果一个线程调用了countDown()方法，则会使count-1；当count的值为0时，这时候阻塞队列中调用await()方法的线程便会逐个被唤醒，从而进入后续的操作。
常用方法有：
- await()方法表示阻塞线程
- countDown()方法表示，计数器减一。在线程阻塞后，计数器减至0后才可以唤醒所有阻塞的线程。
使用场景
- 让多个线程等待：模拟并发，让并发线程一起执行
- 让单个线程等待：多个线程(任务)完成后，进行汇总合并
2、Semaphore信号量
Semaphore(信号量)可以通过其限制执行的线程数量（同时访问共享资源的线程数），达到限流的效果。
使用方法
当一个线程执行时先通过其方法进行获取许可操作，获取到许可的线程继续执行业务逻辑，当线程执行完成后进行释放许可操作，未获取达到许可的线程进行等待或者直接结束。
常用方法有：
- void acquire() throws InterruptedException 获取一个许可，会阻塞等待其他线程释放许可
- void acquire(int permits) throws InterruptedException 获取指定的许可数 ，会阻塞等待其他线程释放
- void acquireUninterruptibly() 获取一个许可 会阻塞等待其他线程释放许可 可被中断
- void acquireUninterruptibly(int permits) 获取指定的许可数 会阻塞等待其他线程释放许可 可被中断
- boolean tryAcquire() 尝试获取许可 不会进行阻塞等待
- boolean tryAcquire(int permits) 尝试获取指定的许可数 不会阻塞等待
- boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 尝试获取许可 可指定等待时间
- boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) 尝试获取指定的许可数 可指定等待时间
使用场景
- 控制线程最大并发数（限流，例如数据库连接池）
- 异步任务，同步返回
- 加锁 (1个整形信号量即可模拟互斥锁)
3、CyclicBarrier循环屏障
CyclicBarrier字面意思是“可重复使用的栅栏”，CyclicBarrier 相比 CountDownLatch 来说，要简单很多，它是 ReentrantLock 和 Condition 的组合使用，只是 CyclicBarrier 可以有不止一个栅栏，因为它的栅栏（Barrier）可以重复使用（Cyclic）。
利用CyclicBarrier类可以实现一组线程相互等待，当所有线程都到达某个屏障点后再进行后续的操作。
使用方法
常用方法有：
- public CyclicBarrier(int parties);//parties表示屏障拦截的线程数量
- public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction);//parties表示屏障拦截的线程数量,在线程到达屏障时，优先执行barrierAction
- await()
- isBroken()用来知道阻塞的线程是否被中断
- reset()
- getNumberWaiting()获得CyclicBarrier阻塞的线程数量
使用场景
- 用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景
与CountDownLatch区别
CountDownLatch是一个同步的辅助类，允许一个或多个线程，等待其他一组线程完成操作，再继续执行。
CyclicBarrier是一个同步的辅助类，允许一组线程相互之间等待，达到一个共同点，再继续执行。
区别:
- CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次
- CyclicBarrier还提供getNumberWaiting()、isBroken()等方法。
- CountDownLatch会阻塞主线程，CyclicBarrier不会阻塞主线程，只会阻塞子线程。
4、Phaser阶段
Phaser允许并发多阶段任务。Phaser类机制是在每一步结束的位置对线程进行同步，当所有的线程都完成了这一步，才允许执行下一步。
使用场景
用来解决控制多个线程分阶段共同完成任务的情景问题。
5、Exchanger交换器
Exchanger用于线程间进行通信、数据交换。Exchanger提供了一个同步点exchange方法，两个线程调用exchange方法时，无论调用时间先后，两个线程会互相等到线程到达exchange方法调用点，此时两个线程可以交换数据，将本线程产出数据传递给对方。
6、ReentrantLock可重入锁、ReentrantReadWriteLock可重入读写锁
参考：【java并发编程】lock接口_现实、太残忍的博客-CSDN博客
7、ThreadPoolExecutor线程池
参考：java使用jdk的ThreadPoolExecutor线程池_现实、太残忍的博客-CSDN博客