（转）Java并发包基石-AQS详解

Posted 2021-10-31 lixuwu

背景:之前在研究多线程的时候，模模糊糊知道AQS这个东西，但是对于其内部是如何实现，以及具体应用不是很理解，还自认为多线程已经学习的很到位了，贻笑大方。

这里的源码还没有能够完整的跟下来，后面还要继续努力完善。

 

Java并发包基石-AQS详解

Java并发包（JUC）中提供了很多并发工具，这其中，很多我们耳熟能详的并发工具，譬如ReentrangLock、Semaphore，它们的实现都用到了一个共同的基类--AbstractQueuedSynchronizer,简称AQS。AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。当然，我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

基本实现原理

  private volatile int state;//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过procted类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作

AQS支持两种同步方式：

　　1.独占式

　　2.共享式

　　这样方便使用者实现不同类型的同步组件，独占式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，组合式的如ReentrantReadWriteLock。总之，AQS为使用提供了底层支撑，如何组装实现，使用者可以自由发挥。

同步器的设计是基于模板方法模式的，一般的使用方式是这样：

　　1.使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源state的获取和释放）

　　2.将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这其实是模板方法模式的一个很经典的应用。

我们来看看AQS定义的这些可重写的方法：

　　　　protected boolean tryAcquire(int arg) : 独占式获取同步状态，试着获取，成功返回true，反之为false

　　　　protected boolean tryRelease(int arg) ：独占式释放同步状态，等待中的其他线程此时将有机会获取到同步状态；

　　　　protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式获取同步状态，返回值大于等于0，代表获取成功；反之获取失败；

　　　　protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式释放同步状态，成功为true，失败为false

　　　　protected boolean isHeldExclusively() ： 是否在独占模式下被线程占用。

关于AQS的使用，我们来简单总结一下：

　　如何使用

　　首先，我们需要去继承AbstractQueuedSynchronizer这个类，然后我们根据我们的需求去重写相应的方法，比如要实现一个独占锁，那就去重写tryAcquire，tryRelease方法，要实现共享锁，就去重写tryAcquireShared，tryReleaseShared；最后，在我们的组件中调用AQS中的模板方法就可以了，而这些模板方法是会调用到我们之前重写的那些方法的。也就是说，我们只需要很小的工作量就可以实现自己的同步组件，重写的那些方法，仅仅是一些简单的对于共享资源state的获取和释放操作，至于像是获取资源失败，线程需要阻塞之类的操作，自然是AQS帮我们完成了。

　　设计思想

　　对于使用者来讲，我们无需关心获取资源失败，线程排队，线程阻塞/唤醒等一系列复杂的实现，这些都在AQS中为我们处理好了。我们只需要负责好自己的那个环节就好，也就是获取/释放共享资源state的姿势T_T。很经典的模板方法设计模式的应用，AQS为我们定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现即可。

AQS的核心思想是基于volatile int state这样的一个属性同时配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁的状态进行修改。

源码分析

我们先来简单描述下AQS的基本实现，前面我们提到过，AQS维护一个共享资源state，通过内置的FIFO来完成获取资源线程的排队工作。（这个内置的同步队列称为"CLH"队列）。该队列由一个一个的Node结点组成，每个Node结点维护一个prev引用和next引用，分别指向自己的前驱和后继结点。AQS维护两个指针，分别指向队列头部head和尾部tail。

　　其实就是个双端双向链表。

　　当线程获取资源失败（比如tryAcquire时试图设置state状态失败），会被构造成一个结点加入CLH队列中，同时当前线程会被阻塞在队列中（通过LockSupport.park实现，其实是等待态）。当持有同步状态的线程释放同步状态时，会唤醒后继结点，然后此结点线程继续加入到对同步状态的争夺中。

ps：此处可以参考

（转）分布式系统互斥性与幂等性问题的分析与解决

Node结点

　　Node结点是AbstractQueuedSynchronizer中的一个静态内部类，我们捡Node的几个重要属性来说一下

static final class Node {
        /** waitStatus值，表示线程已被取消（等待超时或者被中断）*/
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus值，表示后继线程需要被唤醒（unpaking）*/
        static final int SIGNAL    = -1;
        /**waitStatus值，表示结点线程等待在condition上，当被signal后，会从等待队列转移到同步到队列中 */
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
       /** waitStatus值，表示下一次共享式同步状态会被无条件地传播下去
        static final int PROPAGATE = -3;
        /** 等待状态，初始为0 */
        volatile int waitStatus;
        /**当前结点的前驱结点 */
        volatile Node prev;
        /** 当前结点的后继结点 */
        volatile Node next;
        /** 与当前结点关联的排队中的线程 */
        volatile Thread thread;
        /** ...... */
    }

 

独占锁

获取同步状态--acquire()

至此，关于acquire的方法源码已经分析完毕，我们来简单总结下

　　　　a.首先tryAcquire获取同步状态，成功则直接返回；否则，进入下一环节；

　　　　b.线程获取同步状态失败，就构造一个结点，加入同步队列中，这个过程要保证线程安全；

　　　　c.加入队列中的结点线程进入自旋状态，若是老二结点（即前驱结点为头结点），才有机会尝试去获取同步状态；否则，当其前驱结点的状态为SIGNAL，线程便可安心休息，进入阻塞状态，直到被中断或者被前驱结点唤醒。

ps：多个线程都通过【CAS+死循环】这个free-lock黄金搭档来对队列进行修改，每次能够保证只有一个成功，如果失败下次重试，如果是N个线程，那么每个线程最多loop N次，最终都能够成功。

释放同步状态--release()

　　当前线程执行完自己的逻辑之后，需要释放同步状态，来看看release方法的逻辑

release的同步状态相对简单，需要找到头结点的后继结点进行唤醒，若后继结点为空或处于CANCEL状态，从后向前遍历找寻一个正常的结点，唤醒其对应线程。

共享式

共享式：共享式地获取同步状态。对于独占式同步组件来讲，同一时刻只有一个线程能获取到同步状态，其他线程都得去排队等待，其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquire返回值为boolean，这很容易理解；对于共享式同步组件来讲，同一时刻可以有多个线程同时获取到同步状态，这也是“共享”的意义所在。其待重写的尝试获取同步状态的方法tryAcquireShared返回值为int。

protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

　1.当返回值大于0时，表示获取同步状态成功，同时还有剩余同步状态可供其他线程获取；

　　2.当返回值等于0时，表示获取同步状态成功，但没有可用同步状态了；

　　3.当返回值小于0时，表示获取同步状态失败。

　　获取同步状态--acquireShared　　

代码逻辑比较容易理解，需要注意的是，共享模式，释放同步状态也是多线程的，此处采用了CAS自旋来保证。

总结

关于AQS的介绍及源码分析到此为止了。

　　AQS是JUC中很多同步组件的构建基础，简单来讲，它内部实现主要是状态变量state和一个FIFO队列来完成，同步队列的头结点是当前获取到同步状态的结点，获取同步状态state失败的线程，会被构造成一个结点（或共享式或独占式）加入到同步队列尾部（采用自旋CAS来保证此操作的线程安全），随后线程会阻塞；释放时唤醒头结点的后继结点，使其加入对同步状态的争夺中。

　　AQS为我们定义好了顶层的处理实现逻辑，我们在使用AQS构建符合我们需求的同步组件时，只需重写tryAcquire，tryAcquireShared，tryRelease，tryReleaseShared几个方法，来决定同步状态的释放和获取即可，至于背后复杂的线程排队，线程阻塞/唤醒，如何保证线程安全，都由AQS为我们完成了，这也是非常典型的模板方法的应用。AQS定义好顶级逻辑的骨架，并提取出公用的线程入队列/出队列，阻塞/唤醒等一系列复杂逻辑的实现，将部分简单的可由使用者决定的操作逻辑延迟到子类中去实现。