并发编程之AQS初探
Java并发编程核心在于java.concurrent.util包，而juc当中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这个行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS。
AQS具备特性
•阻塞等待队列
•共享/独占
•公平/非公平
•可重入
•允许中断
可以说，AQS贯穿了整个并发包设计，是juc的核心，对于并发编程实现的理解至关重要。
AQS是什么
JDK源码对AQS有十分具体的解释,下面这段英文摘自java.util.concurrent.locks包下的AbstractQueuedSynchronizer.java源码文件。
*Provides a framework for implementing blocking locks and related
* synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on
* first-in-first-out (FIFO) wait queues. This class is designed to
* be a useful basis for most kinds of synchronizers that rely on a
* single atomic {@code int} value to represent state. Subclasses
* must define the protected methods that change this state, and which
* define what that state means in terms of this object being acquired
* or released. Given these, the other methods in this class carry
* out all queuing and blocking mechanics. Subclasses can maintain
* other state fields, but only the atomically updated {@code int}
* value manipulated using methods {@link #getState}, {@link
* #setState} and {@link #compareAndSetState} is tracked with respect
* to synchronization.
*
* <p>Subclasses should be defined as non-public internal helper
* classes that are used to implement the synchronization properties
* of their enclosing class. Class
* {@code AbstractQueuedSynchronizer} does not implement any
* synchronization interface. Instead it defines methods such as
* {@link #acquireInterruptibly} that can be invoked as
* appropriate by concrete locks and related synchronizers to
* implement their public methods.
*
* <p>This class supports either or both a default <em>exclusive</em>
* mode and a <em>shared</em> mode. When acquired in exclusive mode,
* attempted acquires by other threads cannot succeed. Shared mode
* acquires by multiple threads may (but need not) succeed. This class
* does not "understand" these differences except in the
* mechanical sense that when a shared mode acquire succeeds, the next
* waiting thread (if one exists) must also determine whether it can
* acquire as well. Threads waiting in the different modes share the
* same FIFO queue. Usually, implementation subclasses support only
* one of these modes, but both can come into play for example in a
* {@link ReadWriteLock}. Subclasses that support only exclusive or
* only shared modes need not define the methods supporting the unused mode.
*
* <p>This class defines a nested {@link ConditionObject} class that
* can be used as a {@link Condition} implementation by subclasses
* supporting exclusive mode for which method {@link
* #isHeldExclusively} reports whether synchronization is exclusively
* held with respect to the current thread, method {@link #release}
* invoked with the current {@link #getState} value fully releases
* this object, and {@link #acquire}, given this saved state value,
* eventually restores this object to its previous acquired state. No
* {@code AbstractQueuedSynchronizer} method otherwise creates such a
* condition, so if this constraint cannot be met, do not use it. The
* behavior of {@link ConditionObject} depends of course on the
* semantics of its synchronizer implementation.
*
* <p>This class provides inspection, instrumentation, and monitoring
* methods for the internal queue, as well as similar methods for
* condition objects. These can be exported as desired into classes
* using an {@code AbstractQueuedSynchronizer} for their
* synchronization mechanics.
英语好的同学可以直接阅读上述源码作者Doug Lea给出的注解，这里为了让更多人更好的理解，给出英文的大致含义。
AQS同步器是用来构建锁和其他同步组件的基础框架，它的实现主要依赖一个int成员变量来表示同步状态以及通过一个FIFO队列构成等待队列。它的子类必须重写AQS的几个protected修饰的用来改变同步状态的方法，其他方法主要是实现了排队和阻塞机制。状态的更新使用getState,setState以及compareAndSetState这三个方法。
子类被推荐定义为自定义同步组件的非public静态内部类，同步器自身没有实现任何同步接口，它仅仅是定义了若干同步状态的获取和释放方法来供自定义同步组件的使用。
同步器既支持独占式获取同步状态，也可以支持共享式获取同步状态，这样就可以方便的实现不同类型的同步组件。
同步器定义了一个嵌套的条件对象类ConditionObject，可以被子类使用作为Contidition用于支持独占模式。
同步器是实现锁（也可以是任意同步组件）的关键，在锁的实现中聚合同步器，利用同步器实现锁的语义。可以这样理解二者的关系：锁是面向使用者，它定义了使用者与锁交互的接口，隐藏了实现细节；同步器是面向锁的实现者，它简化了锁的实现方式，屏蔽了同步状态的管理，线程的排队，等待和唤醒等底层操作。锁和同步器很好的隔离了使用者和实现者所需关注的领域。
AQS的模板方法设计模式
AQS的设计采用了模板方法的设计模式，它将一些方法开放给子类进行重写，根据java多态性，同步器给同步组件所提供模板方法在调用这些被重写的方法时，实际调用的是子类的实现。
以ReentrantLock为例举个例子，AQS中需要重写的方法tryAcquire：
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
ReentrantLock中NonfairSync（继承AQS）会重写该方法为：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
而AQS中的模板方法acquire():
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
会调用tryAcquire方法，而此时当继承AQS的NonfairSync调用模板方法acquire时就会调用已经被NonfairSync重写的tryAcquire方法。这就是使用AQS的方式，在弄懂这点后会lock的实现理解有很大的提升。可以归纳总结为这么几点：
- 同步组件（这里不仅仅指锁，还包括CountDownLatch等）的实现依赖于同步器AQS，在同步组件实现中，使用AQS的方式被推荐为定义继承AQS的静态内部类；
- AQS采用模板方法进行设计，AQS的protected修饰的方法需要由继承AQS的子类进行重写实现，当调用AQS的子类的方法时就会调用被重写的方法；
- AQS负责同步状态的管理，线程的排队，等待和唤醒这些底层操作，而Lock等同步组件主要专注于实现同步语义；
- 在重写AQS的方式时，使用AQS提供的
getState(),setState(),compareAndSetState()方法进行修改同步状态
AQS可重写的方法如下图（摘自《java并发编程的艺术》一书）：
在实现同步组件时AQS提供的模板方法如下图：
AQS提供的模板方法可以分为3类：
- 独占式获取与释放同步状态；
- 共享式获取与释放同步状态；
- 查询同步队列中等待线程情况；
同步组件通过AQS提供的模板方法实现自己的同步语义。
一个例子
下面使用一个例子来进一步理解下AQS的使用。这个例子也是来源于AQS源码中的example。
class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
// Our internal helper class
// 继承AQS的静态内存类
// 重写方法
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// Reports whether in locked state
//判断同步器是否处于锁定状态
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
// Acquires the lock if state is zero
//只有当state值为0，也就是没有线程获取着该锁，才能拿到锁的使用权
public boolean tryAcquire(int acquires) {
assert acquires == 1; // Otherwise unused
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
// Releases the lock by setting state to zero
protected boolean tryRelease(int releases) {
assert releases == 1; // Otherwise unused
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
// Provides a Condition
Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
// Deserializes properly
private void readObject(ObjectInputStream s)
throws IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
// The sync object does all the hard work. We just forward to it.
private final Sync sync = new Sync();
//使用同步器的模板方法实现自己的同步语义
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
}
public boolean hasQueuedThreads() {
return sync.hasQueuedThreads();
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
}
MutexDemo：
public class MutextDemo {
private static Mutex mutex = new Mutex();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
mutex.lock();
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
mutex.unlock();
}
});
thread.start();
}
}
}
执行情况：
上面的这个例子实现了独占锁的语义，在同一个时刻只允许一个线程占有锁。MutexDemo新建了10个线程，分别睡眠3s。从执行情况也可以看出来当前Thread-6正在执行占有锁而其他Thread-7,Thread-8等线程处于WAIT状态。按照推荐的方式，Mutex定义了一个继承AQS的静态内部类Sync,并且重写了AQS的tryAcquire等等方法，而对state的更新也是利用了setState(),getState()，compareAndSetState()这三个方法。在实现lock接口中的方法也只是调用了AQS提供的模板方法（因为Sync继承AQS）。
从这个例子就可以很清楚的看出来，在同步组件的实现上主要是利用了AQS，而AQS“屏蔽”了同步状态的修改，线程排队等底层实现，通过AQS的模板方法可以很方便的给同步组件的实现者进行调用。而针对用户来说，只需要调用同步组件提供的方法来实现并发编程即可。同时在新建一个同步组件时需要把握的两个关键点是：
- 实现同步组件时推荐定义继承AQS的静态内存类，并重写需要的protected修饰的方法；
- 同步组件语义的实现依赖于AQS的模板方法，而AQS模板方法又依赖于被AQS的子类所重写的方法。
通俗点说，因为AQS整体设计思路采用模板方法设计模式，同步组件以及AQS的功能实际上别切分成各自的两部分：
同步组件实现者的角度：
通过可重写的方法：独占式： tryAcquire()(独占式获取同步状态），tryRelease()（独占式释放同步状态）；共享式 ：tryAcquireShared()(共享式获取同步状态)，tryReleaseShared()(共享式释放同步状态)；告诉AQS怎样判断当前同步状态是否成功获取或者是否成功释放。同步组件专注于对当前同步状态的逻辑判断，从而实现自己的同步语义。这句话比较抽象，举例来说，上面的Mutex例子中通过tryAcquire方法实现自己的同步语义，在该方法中如果当前同步状态为0（即该同步组件没被任何线程获取），当前线程可以获取同时将状态更改为1返回true，否则，该组件已经被线程占用返回false。很显然，该同步组件只能在同一时刻被线程占用，Mutex专注于获取释放的逻辑来实现自己想要表达的同步语义。
AQS的角度
而对AQS来说，只需要同步组件返回的true和false即可，因为AQS会对true和false会有不同的操作，true会认为当前线程获取同步组件成功直接返回，而false的话就AQS也会将当前线程插入同步队列等一系列的方法。
总的来说，同步组件通过重写AQS的方法实现自己想要表达的同步语义，而AQS只需要同步组件表达的true和false即可，AQS会针对true和false不同的情况做不同的处理，至于底层实现，可以看这篇文章。