构建锁与同步组件的基石AQS：深入AQS的实现原理与源码分析
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。
本章我们就一起探究下这个神奇的东东，并对其实现原理进行剖析理解
基本实现原理
AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。
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protected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。
自定义同步器
同步器代码实现
上面大概讲了一些关于AQS如何使用的理论性的东西，接下来，我们就来看下实际如何使用，直接采用JDK官方文档中的小例子来说明问题
package juc; import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer; /**
* Created by chengxiao on 2017/3/28.
*/
public class Mutex implements java.io.Serializable {
//静态内部类，继承AQS
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//是否处于占用状态
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
}
//当状态为0的时候获取锁，CAS操作成功，则state状态为1，
public boolean tryAcquire(int acquires) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//释放锁，将同步状态置为0
protected boolean tryRelease(int releases) {
if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
}
//同步对象完成一系列复杂的操作，我们仅需指向它即可
private final Sync sync = new Sync();
//加锁操作，代理到acquire（模板方法）上就行，acquire会调用我们重写的tryAcquire方法
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
//释放锁，代理到release（模板方法）上就行，release会调用我们重写的tryRelease方法。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
}
}
同步器代码测试
测试下这个自定义的同步器，我们使用之前文章中做过的并发环境下a++的例子来说明问题（a++的原子性其实最好使用原子类AtomicInteger来解决，此处用Mutex有点大炮打蚊子的意味，好在能说明问题就好）
package juc; import java.util.concurrent.CyclicBarrier; /**
* Created by chengxiao on 2017/7/16.
*/
public class TestMutex {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(31);
private static int a = 0;
private static Mutex mutex = new Mutex(); public static void main(String []args) throws Exception {
//说明:我们启用30个线程，每个线程对i自加10000次，同步正常的话，最终结果应为300000；
//未加锁前
for(int i=0;i<30;i++){
Thread t = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10000;i++){
increment1();//没有同步措施的a++；
}
try {
barrier.await();//等30个线程累加完毕
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t.start();
}
barrier.await();
System.out.println("加锁前，a="+a);
//加锁后
barrier.reset();//重置CyclicBarrier
a=0;
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10000;i++){
increment2();//a++采用Mutex进行同步处理
}
try {
barrier.await();//等30个线程累加完毕
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
barrier.await();
System.out.println("加锁后，a="+a);
}
/**
* 没有同步措施的a++
* @return
*/
public static void increment1(){
a++;
}
/**
* 使用自定义的Mutex进行同步处理的a++
*/
public static void increment2(){
mutex.lock();
a++;
mutex.unlock();
}
} TestMutex
测试结果：
加锁前，a=279204
加锁后，a=300000
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。
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;
/** ...... */
}
独占式
获取同步状态--acquire()
来看看acquire方法，lock方法一般会直接代理到acquire上
1 public final void acquire(int arg) {
2 if (!tryAcquire(arg) &&
3 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
4 selfInterrupt();
5 }
我们来简单理一下代码逻辑：
a.首先，调用使用者重写的tryAcquire方法，若返回true，意味着获取同步状态成功，后面的逻辑不再执行；若返回false，也就是获取同步状态失败，进入b步骤；
b.此时，获取同步状态失败，构造独占式同步结点，通过addWatiter将此结点添加到同步队列的尾部（此时可能会有多个线程结点试图加入同步队列尾部，需要以线程安全的方 式添加）；
c.该结点以在队列中尝试获取同步状态，若获取不到，则阻塞结点线程，直到被前驱结点唤醒或者被中断。
addWaiter
为获取同步状态失败的线程，构造成一个Node结点，添加到同步队列尾部
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);//构造结点
//指向尾结点tail
Node pred = tail;
//如果尾结点不为空，CAS快速尝试在尾部添加，若CAS设置成功，返回；否则，eng。
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
先cas快速设置，若失败，进入enq方法
将结点添加到同步队列尾部这个操作，同时可能会有多个线程尝试添加到尾部，是非线程安全的操作。
以上代码可以看出，使用了compareAndSetTail这个cas操作保证安全添加尾结点。
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