并发第六弹 AQS抽象队列同步器

小伙伴们，我来了！好几天没写文章了，最近几天的空余时间里我都在强化自己的并发技术，觉得自己掌握到了一定的精髓，来给大家分享一下！

今天的文章介绍J.U.C下的AQS框架，AQS是Java锁的核心，难度相对较大。

AQS，即AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器，是一个Java类，继承自AbstractOwnableSynchronizer。

AbstractOwnableSynchronizer里只有一个属性和它的getter/setter方法：

// 当前持有独占锁的线程
private transient Thread exclusiveOwnerThread;

AQS框架

AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch等。

AQS维护了一个等待队列，等待队列是CLH（Craig Landin Hagersten）锁双向队列（什么是CLH有兴趣的小伙伴可以自查一下），多线程争用资源被阻塞时会进入此队列。

AQS有一个内部类Node，队列中的每一个结点正是Node类，Node类有如下字段：

static final Node SHARED = new Node(); // 共享资源标识符
static final Node EXCLUSIVE = null; // 独占资源标识符

// 等待状态常量
static final int CANCELLED = 1; // 表示线程已取消
static final int SIGNAL = -1; // 表示后继线程需要被释放
static final int CONDITION = -2; // 线程在条件队列里面等待
static final int PROPAGATE = -3; // 释放共享资源时需要通知其他节点

// 等待状态
volatile int waitStatus;

// 结点前驱
volatile Node prev;
// 结点后继
volatile Node next;

// 结点的线程
volatile Thread thread;
// 下一个等待者
Node nextWaiter;

AQS用了两个指针来维护队列：

private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

注意：

head指针指向一个标杆结点（或称哨兵结点），标杆结点也是一个Node对象，但该Node对象不维护任何线程，只是起一个标杆的作用。

AQS维护了一个volatile int state（代表共享资源）,AQS只是定义了state，但state具体的含义由同步器子类定义，state的访问方式有三种：

getState()
setState()
compareAndSetState()

state具体的含义举例：

比如ReentantLock独占锁，state初始化为0，第一个来的线程成功将state从0修改为1，那么第一个线程将持有锁，且该线程可重入，每重入一次state就加1；但重入多少次就要释放(state–)多少次，直到state为0表示第一个线程释放了锁。在第一个线程持有锁期间，由于是独占锁，其它线程只能等待；
再比如CountDownLatch，一开始有n个子线程，state也初始化为n，这n个子线程是并行执行的，且主线程会调用await()方法等待；每有一个线程执行结束，就调用一次countDown()方法，state–；直到n个线程都执行完了，state减为0，会调用unpark()方法唤醒主线程使其从await()方法中返回；

AQS定义两种资源共享方式：

Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）；
Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）；

基于AQS的自定义同步器实现准则

不同的自定义同步器争用共享资源的方式不同，自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。

自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源，只有用到condition才需要去实现它；
tryAcquire(int)：独占方式，尝试获取资源；
tryRelease(int)：独占方式，试释放资源；
tryAcquireShared(int)：共享方式，尝试获取资源；
tryReleaseShared(int)：共享方式，尝试释放资源；

为什么要实现这五个方法呢？查看AQS中这五个方法源码如下。

protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected int tryAcquireShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean isHeldExclusively() {
throw new UnsupportedOperationException();
}

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现

tryAcquire+tryRelease
tryAcquireShared+tryReleaseShared

中的一种即可，但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock读写锁。

同步类在实现时一般都将自定义同步器（sync）定义为内部类，供自己使用；而同步类自己则实现某个接口（如Lock接口），对外服务。当然，接口的实现要直接依赖sync。sync只用实现资源state的获取释放方式tryAcquire+tryRelelase。至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。