详解JUC中的基础组件AQS

AQS是JUC包中的基础组件，许多同步器例如ReentrantLock、Semaphore等都是基于AQS实现的，如果不懂AQS，怎敢说自己懂并发编程？

AQS的作用简述

AQS，全称是AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器。它提供了一种锁机制，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是用双向队列实现的，即将暂时获取不到锁的线程封装成队列的一个节点并加入到队列中。

AQS的原理剖析

在AQS中维持了一个单一的状态信息state，可以通过getState、setState、compareAndSetState函数修改其值。

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

对于ReentrantLock的实现来说，state可以用来表示当前线程获取锁的可重入次数；对于读写锁ReentrantReadWriteLock来说，state的高16位表示读状态，也就是获取该读锁的次数，低16位表示获取到写锁的线程的可重入次数；对于Semaphore来说，state用来表示当前可用信号的个数；对于CountDownlatch来说，state用来表示计数器当前的值。

对于AQS来说，线程同步的关键是对状态值state进行操作。根据state是否属于一个线程，操作state的方式分为独占方式和共享方式。

• 使用独占方式获取的资源是与具体线程绑定的，就是说如果一个线程获取到了资源，就会标记是这个线程获取到了，其他线程再尝试操作state获取资源时会发现当前该资源不是自己持有的，就会在获取失败后被阻塞。比如独占锁ReentrantLock的实现，当一个线程获取了ReentrantLock的锁后，在AQS内部会首先使用CAS操作把state状态值从0变为1，然后设置当前锁的持有者为当前线程，当该线程再次获取锁时发现它就是锁的持有者，则会把状态值从1变为2，也就是设置可重入次数，而当另外一个线程获取锁时发现自己并不是该锁的持有者就会被放入AQS阻塞队列后挂起。
• 对应共享方式的资源与具体线程是不相关的，当多个线程去请求资源时通过CAS方式竞争获取资源，当一个线程获取到了资源后，另外一个线程再次去获取时如果当前资源还能满足它的需要，则当前线程只需要使用CAS方式进行获取即可。比如Semaphore信号量，当一个线程通过acquire（）方法获取信号量时，会首先看当前信号量个数是否满足需要，不满足则把当前线程放入阻塞队列，如果满足则通过自旋CAS获取信号量。

下面看一下独占方式下，获取和释放资源的流程（共享方式类似，不赘述）：

• 当一个线程调用acquire（int arg）方法获取独占资源时，会首先使用tryAcquire方法尝试获取资源，具体是设置状态变量state的值，成功则直接返回，失败则将当前线程封装为类型为Node.EXCLUSIVE的Node节点后插入到AQS阻塞队列的尾部，并调用LockSupport.park（this）方法挂起自己。

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

• 当一个线程调用release（int arg）方法时会尝试使用tryRelease操作释放资源，这里是设置状态变量state的值，然后调用LockSupport.unpark（thread）方法激活AQS队列里面被阻塞的一个线程（thread）。被激活的线程则使用tryAcquire尝试，看当前状态变量state的值是否能满足自己的需要，满足则该线程被激活，然后继续向下运行，否则还是会被放入AQS队列并被挂起。

需要注意的是，AQS类并没有提供可用的tryAcquire和tryRelease方法，正如AQS是锁阻塞和同步器的基础框架一样，tryAcquire和tryRelease需要由具体的子类来实现。子类在实现tryAcquire和tryRelease时要根据具体场景使用CAS算法尝试修改state状态值，成功则返回true，否则返回false。子类还需要定义，在调用acquire和release方法时state状态值的增减代表什么含义。

比如继承自AQS实现的独占锁ReentrantLock，定义当status为0时表示锁空闲，为1时表示锁已经被占用。在重写tryAcquire时，在内部需要使用CAS算法查看当前state是否为0，如果为0则使用CAS设置为1，并设置当前锁的持有者为当前线程，而后返回true，如果CAS失败则返回false。

基于AQS实现的锁除了需要重写上面介绍的方法外，还需要重写isHeldExclusively方法，来判断锁是被当前线程独占还是被共享。

我们看一下AQS如何维护双向队列的，下面是入队操作的代码，比较简单，主要是使用CAS操作tail和node的指针设定：

    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

我们知道，notify/wait是配合synchronized内置锁实现线程间同步的基础设施一样，条件变量的signal和await方法也是用来配合锁（使用AQS实现的锁）实现线程间同步的基础设施，所以，AQS还离不开条件变量的支持。AQS内部声明的ConditionObject对象，ConditionObject是AQS的内部类，可以访问AQS内部的变量（例如状态变量state）和方法。在每个条件变量内部都维护了一个条件队列，用来存放调用条件变量的await（）方法时被阻塞的线程。注意这个条件队列和AQS队列不是一回事。

• 当线程调用条件变量的await（）方法时（必须先调用锁的lock（）方法获取锁），在内部会构造一个类型为Node.CONDITION的node节点，然后将该节点插入条件队列末尾，之后当前线程会释放获取的锁（也就是会操作锁对应的state变量的值），并被阻塞挂起。
• 当另外一个线程调用条件变量的signal方法时（必须先调用锁的lock（）方法获取锁），在内部会把条件队列里面队头的一个线程节点从条件队列里面移除并放入AQS的阻塞队列里面，然后激活这个线程。

需要注意的是，AQS只提供了ConditionObject的实现，并没有提供newCondition函数，该函数用来new一个ConditionObject对象。需要由AQS的子类来提供newCondition函数。

以上便是AQS的基本操作原理，以后在分析AQS实现的各种同步器时还会再深入了解AQS的用法。

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每日学习笔记，写于2020-05-06 星期三