AQS(AbstractQueuedSynchronizer)源码深度解析—AQS的设计与总体结构

Posted 2021-09-18 刘Java

详细介绍了AQS的设计思想，以及总体设计结构。

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文章目录

• 1 从AQS学起
• 2 AQS的设计
• • 2.1 固定方法
  • 2.2 可重写的方法
  • 2.3 模版方法
• 3 总体结构总结

1 从AQS学起

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements Serializable

AbstractQueuedSynchronizer，来自于JDK1.5，位于JUC包，由并发编程大师Doug Lea编写，字面翻译就是“抽象队列同步器”，简称为AQS。AQS作为一个抽象类，是构建JUC包中的锁（比如ReentrantLock）或者其他同步组件（比如CountDownLatch）的底层基础框架。

在每一个同步组件的实现类中，都具有AQS的实现类作为内部类，被用来实现该锁的内存语义，并且他们之间是强关联关系，从对象的关系上来说锁或同步器与AQS是：“聚合关系”。

也可以这样理解二者之间的关系：

1. 锁（比如ReentrantLock）是面向使用者（大部分“用轮子”程序员）的，它定义了使用者与锁交互的外部接口，比如获得锁、释放锁的接口，这样就隐藏了实现细节，方便学习使用；
2. AQS则是面向的是锁的实现者（少部分“造轮子”的程序员，比如Doug Lea，这个比喻并不恰当，因为Doug Lea是整个JUC包的编写者，包括AQS也是他写的），因为AQS简化了锁的实现方式，屏蔽了同步状态管理、线程的排队、线程的等待与唤醒等更加底层的操作，我们如果想要自己写一个“锁”—造轮子，那么就可以直接利用AQS框架实现，而不需要去关心上面那些更加底层的东西。这样的话似乎也不算真正的从零开始造轮子，因为我们用的AQS这个制造工具也是别人（Doug
   Lea）制作的::>_<::。

锁和AQS很好地隔离了使用者和实现者所需关注的领域。如果我们只是想单纯的使用某个锁，那个直接看锁的API就行了，而如果我们想要看懂某个锁的实现，那么我们就需要看锁的源码，在这之中我们又可能会遇到AQS框架的某个方法的调用；如果我们想要走得更远，那么此时又会进入AQS的源码，那么我们必须去了解AQS这个同步框架的设计与实现！

如果我们想要真正学搞懂JUC的同步组件，那么，先从AQS学起吧！

2 AQS的设计

AbstractQueuedSynchronizer被设计为一个抽象类，它使用了一个volatile int类型的成员变量state来表示同步状态，通过内置的FIFO双向队列来完成资源获取线程的排队等待工作。通常AQS的子类通过继承AQS并实现它的抽象方法来管理同步状态。

AQS的子类常常作为同步组件的静态内部类（也就是聚合关系），AQS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获取和释放的方法来供同步组件使用，AQS既可以支持独占式地访问同步状态（比如ReentrantLock），也可以支持共享式地访问同步状态（比如CountDownLatch），这样就可以方便实现不同类型的同步组件。

AQS的方法设计是基于模板方法模式的，也就是说实现者需要继承AQS并按照需要重写指定的方法，随后将AQS的实现类组合在同步组件的实现中，并最终调用AQS提供的模板方法来实现同步，而这些模板方法内部实际上被设计成会调用使用者重写的方法。

因此，AQS的方法可以分为三大类：固定方法、可重写的方法、模版方法。

2.1 固定方法

重写AQS指定的方法时，需要使用AQS提供的如下3个方法来访问或修改同步状态，不同的锁实现都可以直接调用这三个方法：

1. getState()：获取当前最新同步状态。
2. setState(int newState)：设置当前最新同步状态。
3. compareAndSetState(int expect,int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。

它们的源码很简单：

/**
 * int类型同步状态变量，或者代表共享资源，被volatile修饰，具有volatile的读、写的内存语义
 */
private volatile int state;

/**
 * @return 返回同步状态的当前值。此操作具有volatile读的内存语义，因此每次获取的都是最新值
 */
protected final int getState() {
    return state;
}

/**
 * @param newState 设置同步状态的最新值。此操作具有volatile写的内存语义，因此每次写数据都是写回主存并导致其它缓存实效
 */
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

/**
 * 如果当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。
 * 此操作具有volatile读取和写入的内存语义。
 *
 * @param expect 预期值
 * @param update 写入值
 * @return 如果更新成功返回true，失败则返回false
 */
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    //内部调用unsafe的方法，该方法是一个CAS方法
    //这个unsafe类，实际上是比AQS更加底层的底层框架，或者可以认为是AQS框架的基石。
    //CAS操作在Java中的最底层的实现就是Unsafe类提供的，它是作为Java语言与Hospot源码（C++）以及底层操作系统沟通的桥梁
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

这三个方法getState()、setState()、compareAndSetState()都是final方法，是AQS提供的通用设置同步状态的方法，能保证线程安全，我们直接调用即可。

2.2 可重写的方法

可重写的方法在AQS中一般都没有提供实现，并且如果子类不重写直接调用还会抛出异常，这些方法一般是对同步状态的单次尝试获取、释放（即加锁、解锁），并没有后续失败处理的方法！实现者一般根据需要重写对应的方法！

AQS可重写的方法如下所示：

/**
 * 独占式获取锁，该方法需要查询当前状态并判断锁是否符合预期，然后再进行CAS设置锁。返回true则成功，否则失败。
 *
 * @param arg 参数，在实现的时候可以传递自己想要的数据
 * @return 返回true则成功，否则失败。
 */
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 独占式释放锁，等待获取锁的线程将有机会获取锁。返回true则成功，否则失败。
 *
 * @param arg 参数，在实现的时候可以传递自己想要的数据
 * @return 返回true则成功，否则失败。
 */
protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 共享式获取锁，返回大于等于0的值表示获取成功，否则失败。
 *
 * @param arg 参数，在实现的时候可以传递自己想要的数据
 * @return 返回大于等于0的值表示获取成功，否则失败。
 * 如果返回值小于0，表示当前线程共享锁失败
 * 如果返回值大于0，表示当前线程共享锁成功，并且接下来其他线程尝试获取共享锁的行为很可能成功
 * 如果返回值等于0，表示当前线程共享锁成功，但是接下来其他线程尝试获取共享锁的行为会失败（实际上也有可能成功，在后面的源码部分会将）
 */
protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 共享式释放锁。返回true成功，否则失败。
 *
 * @param arg 参数，在实现的时候可以传递自己想要的数据
 * @return 返回true成功，否则失败。
 */
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

/**
 * 当前AQS是否在独占模式下被线程占用，一般表示是否被前当线程独占；如果同步是以独占方式进行的，则返回true；其他情况则返回 false
 *
 * @return 如果同步是以独占方式进行的，则返回true；其他情况则返回 false
 */
protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

2.3 模版方法

在实现同步组件的时候，按照需要重写可重写的方法，但是直接调用的还是AQS提供的模板方法，模版方法再被Lock接口的方法包装。

这些模板方法同样是final的。可以猜测出这些模版方法包含了对上面的可重写方法的后续处理（比如失败处理）！

AQS的模板方法基本上分为3类：

1. 独占式获取与释放同步状态
2. 共享式获取与释放同步状态
3. 查询同步队列中的等待线程情况

独占方式：

1. acquire(int arg)： 独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则，将会进入同步队列等待，该方法将会调用重写的tryAcquire(int arg) 方法。该方法不会响应中断。
2. acquireInterruptibly(int arg)： 与acquire(int arg) 相同，但是该方法响应中断，当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中，如果当前被中断，则该方法会抛出InterruptedException并返回。
3. tryAcquireNanos(int arg,long nanos)： 在acquireInterruptibly基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内没有获取到同步状态，那么将会返回false，获取到了返回true。
4. release(int arg) ： 独占式的释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个结点包含的线程唤醒。

共享方式：

1. acquireShared(int arg)： 共享式获取同步状态，如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待。与独占式的不同是同一时刻可以有多个线程获取到同步状态。该方法不会响应中断。
2. acquireSharedInterruptibly(int arg) ： 与acquireShared(int arg) 相同，但是该方法响应中断，当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中，如果当前被中断，则该方法会抛出InterruptedException并返回。
3. tryAcquireSharedNanos(int arg,long nanos)： 在acquireSharedInterruptibly基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内没有获取到同步状态，那么将会返回false，获取到了返回true
4. releaseShared(int arg)： 共享式释放同步状态

获取线程等待情况：

1. getQueuedThreads() ： 获取等待在同步队列上的线程集合。

3 总体结构总结

AQS中文名为队列同步器，可以猜测，它的内部具有一个队列，实际上也确实如此。

AQS内部使用一个一个FIFO的双端队列，被称为同步队列，来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败（获取锁失败）的时候，AQS会将当前线程及其等待状态信息构造成一个结点Node并将其加入同步队列中，同时阻塞当前线程，当同步状态由持有线程释放的时候，会将同步队列中的首结点中的线程唤醒使其再次尝试获取同步状态。

同步队列中的结点Node是AQS中的一个内部类，用来保存获取同步状态失败的线程的线程引用、等待状态以及前驱结点和后继结点。AQS外部持有同步队列的两个引用，一个指向头结点head，而另一个指向尾结点tail。

在AQS中还维持了一个volatile int类型的字段state，用来描述同步状态，可以通过getState、setState、compareAndSetState函数修改其值。

对于不同的同步组件的实现来说，state可以有不同的含义。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。

AQS内部还有一个ConditionObject内部类，用来结合锁实现更加灵活的线程同步。ConditionObject 可以直接访问AQS 对象内部的变量，比如state 状态值和AQS 同步队列。ConditionObject 又被称为条件变量，每个条件变量实例又对应一个条件队列（单向链表，又称等待队列），其用来存放调用Condition的await方法后被阻塞的线程，这个等待队列的头、尾元素分别由firstWaiter 和lastWaiter持有。

上面的介绍能看出来，AQS中包含两个队列的实现，一个同步队列，用于存放获取不到锁的线程，另一个是条件队列，用于存放调用了await方法的线程，但是两个队列中的线程都是WAITING状态，因为Lock所底层都是调用的LockSupport.park方法。

后面的文章就会介绍同步队列和条件队列的实现，它们是AQS的核心！

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