深入理解AQS实现原理

AQS概述
附录

AQS全称为AbstractQueuedSynchronizer，它提供了一个FIFO队列，可以看成是一个用来实现同步锁以及其他涉及到同步功能的核心组件

本文内容包括:

AQS概述

AbstractQueuedSynchronizer抽象队列同步器简称AQS，它是实现同步器的基础组件，JUC下面Lock的实现以及一些并发工具类就是通过AQS来实现的

先看看AQS的类图

AQS的类图.png

(1)AQS是一个通过内置的FIFO双向队列来完成线程的排队工作(内部通过结点head和tail记录队首和队尾元素，元素的结点类型为Node类型，后面我们会看到Node的具体构造)

/*等待队列的队首结点(懒加载，这里体现为竞争失败的情况下，加入同步队列的线程执行到enq方法的时候会创
建一个Head结点)。该结点只能被setHead方法修改。并且结点的waitStatus不能为CANCELLED*/
private transient volatile Node head;
/**等待队列的尾节点，也是懒加载的。（enq方法）。只在加入新的阻塞结点的情况下修改*/
private transient volatile Node tail;

(2)其中Node中的thread用来存放进入AQS队列中的线程引用，Node结点内部的SHARED表示标记线程是因为获取共享资源失败被阻塞添加到队列中的；Node中的EXCLUSIVE表示线程因为获取独占资源失败被阻塞添加到队列中的。waitStatus表示当前线程的等待状态：

①CANCELLED=1：表示线程因为中断或者等待超时，需要从等待队列中取消等待；

②SIGNAL=-1：当前线程thread1占有锁，队列中的head(仅仅代表头结点，里面没有存放线程引用)的后继结点node1处于等待状态，如果已占有锁的线程thread1释放锁或被CANCEL之后就会通知这个结点node1去获取锁执行。

③CONDITION=-2：表示结点在等待队列中(这里指的是等待在某个lock的condition上，关于Condition的原理下面会写到)，当持有锁的线程调用了Condition的signal()方法之后，结点会从该condition的等待队列转移到该lock的同步队列上，去竞争lock。(注意：这里的同步队列就是我们说的AQS维护的FIFO队列，等待队列则是每个condition关联的队列)

④PROPAGTE=-3：表示下一次共享状态获取将会传递给后继结点获取这个共享同步状态。

(3)AQS中维持了一个单一的volatile修饰的状态信息state(AQS通过Unsafe的相关方法，以原子性的方式由线程去获取这个state)。AQS提供了getState()、setState()、compareAndSetState()函数修改值(实际上调用的是unsafe的compareAndSwapInt方法)。下面是AQS中的部分成员变量以及更新state的方法

//这就是我们刚刚说到的head结点，懒加载的（只有竞争失败需要构建同步队列的时候，才会创建这个head），如果头节点存在，它的waitStatus不能为CANCELLED
private transient volatile Node head;
//当前同步队列尾节点的引用，也是懒加载的，只有调用enq方法的时候会添加一个新的wait node
private transient volatile Node tail;
//AQS核心：同步状态
private volatile int state;
protected final int getState() {
    return state;
}
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

(4)AQS的设计师基于模板方法模式的。使用时候需要继承同步器并重写指定的方法，并且通常将子类推荐为定义同步组件的静态内部类，子类重写这些方法之后，AQS工作时使用的是提供的模板方法，在这些模板方法中调用子类重写的方法。其中子类可以重写的方法：

//独占式的获取同步状态，实现该方法需要查询当前状态并判断同步状态是否符合预期，然后再进行CAS设置同步状态
protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException();}
//独占式的释放同步状态，等待获取同步状态的线程可以有机会获取同步状态
protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException();}
//共享式的获取同步状态
protected int tryAcquireShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException();}
//尝试将状态设置为以共享模式释放同步状态。 该方法总是由执行释放的线程调用。 
protected int tryReleaseShared(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }
//当前同步器是否在独占模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程所独占
protected int isHeldExclusively(int arg) {  throw new UnsupportedOperationException();}

(5)AQS的内部类ConditionObject是通过结合锁实现线程同步，ConditionObject可以直接访问AQS的变量(state、queue)，ConditionObject是个条件变量，每个ConditionObject对应一个队列用来存放线程调用condition条件变量的await方法之后被阻塞的线程

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