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AQS

AQS 全稱是 Abstract Queued Synchronizer，一般翻譯為同步器扎拣。它是一套實(shí)現(xiàn)多線程同步功能的框架晰洒。
AQS 在源碼中被廣泛使用秽梅，尤其是在 JUC（Java Util Concurrent）中翠肘，比如 ReentrantLock蕾羊、Semaphore、CountDownLatch、ThreadPoolExecutor笤昨。理解 AQS 對(duì)我們理解 JUC 中其他組件至關(guān)重要，并且在實(shí)際開發(fā)中也可以通過自定義 AQS 來實(shí)現(xiàn)各種需求場(chǎng)景握恳。

ReentrantLock

Sync 在 ReentrantLock 有兩種實(shí)現(xiàn)：NonfairSync 和 FairSync瞒窒，分別對(duì)應(yīng)非公平鎖和公平鎖。
在非公平鎖中的lock() 方法中乡洼，主要做了如下操作：

• 如果通過 CAS 設(shè)置變量 State（同步狀態(tài)）成功崇裁，表示當(dāng)前線程獲取鎖成功，則將當(dāng)前線程設(shè)置為獨(dú)占線程束昵。
• 如果通過 CAS 設(shè)置變量 State（同步狀態(tài)）失敗拔稳，表示當(dāng)前鎖正在被其他線程持有，則進(jìn)入 Acquire 方法進(jìn)行后續(xù)處理锹雏。

acquire() 方法是一個(gè)比較重要的方法巴比，可以將其拆解為 3 個(gè)主要步驟：

1. tryAcquire() 方法主要目的是嘗試獲取鎖；
2. addWaiter() 如果 tryAcquire() 嘗試獲取鎖失敗則調(diào)用 addWaiter 將當(dāng)前線程添加到一個(gè)等待隊(duì)列中礁遵；
3. acquireQueued 處理加入到隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)轻绞，通過自旋去嘗試獲取鎖，根據(jù)情況將線程掛起或者取消佣耐。

以上 3 個(gè)方法都被定義在 AQS 中政勃，但其中 tryAcquire() 有點(diǎn)特殊，默認(rèn)情況下直接拋異常兼砖，因此它需要在子類中復(fù)寫奸远，也就是說真正的獲取鎖的邏輯由子類同步器自己實(shí)現(xiàn)。

ReentrantLock 中 tryAcquire 的實(shí)現(xiàn)（非公平鎖）如下：

解釋說明：

• 獲取當(dāng)前線程掖鱼，判斷當(dāng)前的鎖的狀態(tài)然走；
• 如果 state=0 表示當(dāng)前是無(wú)鎖狀態(tài)援制，通過 cas 更新 state 狀態(tài)的值戏挡，返回 true；
• 如果當(dāng)前線程屬于重入晨仑，則增加重入次數(shù)褐墅，返回 true；
• 上述情況都不滿足洪己，則獲取鎖失敗返回 false妥凳。

最后用一張圖表示 ReentrantLock.lock() 過程：

在 ReentrantLock 執(zhí)行 lock() 的過程中，大部分同步機(jī)制的核心邏輯都已經(jīng)在 AQS 中實(shí)現(xiàn)答捕，ReentrantLock 自身只要實(shí)現(xiàn)某些特定步驟下的方法即可逝钥，這種設(shè)計(jì)模式叫作模板模式。如果你做過 Android 開發(fā)對(duì)這一模式應(yīng)該非常熟悉拱镐。Activity 的生命周期的執(zhí)行流程都已經(jīng)在 framework 中定義好了艘款，子類 Activity 只要在相應(yīng)的 onCreate持际、onPause 等生命周期方法中提供相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)即可。

注意：不只 ReentrantLock哗咆，JUC 包中其他組件例如 CountDownLatch蜘欲、Semaphor 等都是通過一個(gè)內(nèi)部類 Sync 來繼承 AQS，然后在內(nèi)部中通過操作 Sync 來實(shí)現(xiàn)同步晌柬。這種做法的好處是將線程控制的邏輯控制在 Sync 內(nèi)部姥份，而對(duì)外面向用戶提供的接口是自定義鎖，這種聚合關(guān)系能夠很好的解耦兩者所關(guān)注的邏輯年碘。

AQS 核心功能原理分析

首先看下 AQS 中幾個(gè)關(guān)鍵的屬性澈歉，如下所示：

代碼中展示了 AQS 中兩個(gè)比較重要的屬性 Node 和 state。

state 鎖狀態(tài)

state 表示當(dāng)前鎖狀態(tài)盛泡。當(dāng) state = 0 時(shí)表示無(wú)鎖狀態(tài)闷祥；當(dāng) state>0 時(shí)，表示已經(jīng)有線程獲得了鎖傲诵，也就是 state=1凯砍，如果同一個(gè)線程多次獲得同步鎖的時(shí)候，state 會(huì)遞增拴竹，比如重入 5 次悟衩，那么 state=5。 而在釋放鎖的時(shí)候栓拜，同樣需要釋放 5 次直到 state=0座泳，其他線程才有資格獲得鎖。

state 還有一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)鎖的獨(dú)占模式或者共享模式幕与。

• 獨(dú)占模式：只有一個(gè)線程能夠持有同步鎖挑势。
  比如在獨(dú)占模式下，我們可以把 state 的初始值設(shè)置成 0啦鸣，當(dāng)某個(gè)線程申請(qǐng)鎖對(duì)象時(shí)潮饱，需要判斷 state 的值是不是 0，如果不是 0 的話意味著其他線程已經(jīng)持有該鎖诫给，則本線程需要阻塞等待香拉。

• 共享模式：可以有多個(gè)線程持有同步鎖。
  在共享模式下的道理也差不多中狂，比如說某項(xiàng)操作我們?cè)试S 10 個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行凫碌，超過這個(gè)數(shù)量的線程就需要阻塞等待。那么只需要在線程申請(qǐng)對(duì)象時(shí)判斷 state 的值是否小于 10胃榕。如果小于 10盛险，就將 state 加 1 后繼續(xù)同步語(yǔ)句的執(zhí)行；如果等于 10，說明已經(jīng)有 10 個(gè)線程在同時(shí)執(zhí)行該操作苦掘，本線程需要阻塞等待泉褐。

Node 雙端隊(duì)列節(jié)點(diǎn)
Node 是一個(gè)先進(jìn)先出的雙端隊(duì)列，并且是等待隊(duì)列鸟蜡，當(dāng)多線程爭(zhēng)用資源被阻塞時(shí)會(huì)進(jìn)入此隊(duì)列膜赃。這個(gè)隊(duì)列是 AQS 實(shí)現(xiàn)多線程同步的核心。

從之前 ReentrantLock 圖中可以看到揉忘，在 AQS 中有兩個(gè) Node 的指針跳座，分別指向隊(duì)列的 head 和 tail。

Node 的主要結(jié)構(gòu)如下：

默認(rèn)情況下泣矛，AQS 中的鏈表結(jié)構(gòu)如下圖所示：

獲取鎖失敗后續(xù)流程分析
鎖的意義就是使競(jìng)爭(zhēng)到鎖對(duì)象的線程執(zhí)行同步代碼疲眷，多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)失敗的線程需要被阻塞等待后續(xù)喚醒您朽。那么 ReentrantLock 是如何實(shí)現(xiàn)讓線程等待并喚醒的呢狂丝？

前面中我們提到在 ReentrantLock.lock() 階段，在 acquire() 方法中會(huì)先后調(diào)用 tryAcquire哗总、addWaiter几颜、acquireQueued 這 3 個(gè)方法來處理。tryAcquire 在 ReentrantLock 中被復(fù)寫并實(shí)現(xiàn)讯屈，如果返回 true 說明成功獲取鎖蛋哭，就繼續(xù)執(zhí)行同步代碼語(yǔ)句′棠福可是如果 tryAcquire 返回 false谆趾，也就是當(dāng)前鎖對(duì)象被其他線程所持有，那么當(dāng)前線程會(huì)被 AQS 如何處理呢叛本？

addWaiter
首先當(dāng)前獲取鎖失敗的線程會(huì)被添加到一個(gè)等待隊(duì)列的末端沪蓬，具體源碼如下：

有兩種情況會(huì)致使插入隊(duì)列失敗：

tail 為空：說明隊(duì)列從未初始化来候，因此需要調(diào)用 enq 方法在隊(duì)列中插入一個(gè)空的 Node跷叉；
compareAndSetTail 失敗：說明插入過程中有線程修改了此隊(duì)列吠勘，因此需要調(diào)用 enq 將當(dāng)前 node 重新插入到隊(duì)列末端性芬。
經(jīng)過 addWaiter 方法之后峡眶，此時(shí)線程以 Node 的方式被加入到隊(duì)列的末端剧防，但是線程還沒有被執(zhí)行阻塞操作，真正的阻塞操作是在下面的 acquireQueued 方法中判斷執(zhí)行辫樱。

acquireQueued
在 acquireQueued 方法中并不會(huì)立即掛起該節(jié)點(diǎn)中的線程峭拘，因此在插入節(jié)點(diǎn)的過程中，之前持有鎖的線程可能已經(jīng)執(zhí)行完畢并釋放鎖，所以這里使用自旋再次去嘗試獲取鎖（不放過任何優(yōu)化細(xì)節(jié)）鸡挠。如果自旋操作還是沒有獲取到鎖辉饱！那么就將該線程掛起（阻塞），該方法的源碼如下：

首先獲取前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的 waitStatus 值彭沼，Node 中的 waitStatus 一共有 5 種取值，分別代表的意義如下：

接下來根據(jù) waitStatus 不同的值進(jìn)行不同的操作备埃，主要有以下幾種情況：

• 如果 waitStatus 等于 SIGNAL姓惑，返回 true 將當(dāng)前線程掛起，等待后續(xù)喚醒操作即可按脚。
• 如果 waitStatus 大于 0 也就是 CANCLE 狀態(tài)于毙，會(huì)將此前驅(qū)節(jié)點(diǎn)從隊(duì)列中刪除，并在循環(huán)中逐步尋找下一個(gè)不是“CANCEL”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)辅搬。
• 如果 waitStatus 既不是 SIGNAL 也不是 CANCEL唯沮，則將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)置為 SIGNAL，這樣做的好處是下一次執(zhí)行 shouldParkAfterFailedAcquire 時(shí)可以直接返回 true，掛起線程帕识。

代碼再回到 acquireQueued 中沃测，如果 shouldParkAfterFailedAcquire 返回 true 表示線程需要被掛起，那么會(huì)繼續(xù)調(diào)用 parkAndCheckInterrupt 方法執(zhí)行真正的阻塞線程代碼甘耿，具體如下：

這個(gè)方法比較簡(jiǎn)單，只是調(diào)用了 LockSupport 中的 park 方法竿滨。在 LockSupport.park() 方法中調(diào)用了 Unsafe API 來執(zhí)行底層 native 方法將線程掛起佳恬，代碼到這已經(jīng)到了操作系統(tǒng)的層面，沒有必要再深入分析于游。

至此毁葱，獲取鎖的大體流程已經(jīng)分析完畢，總結(jié)一下整個(gè)過程如下：

• AQS 的模板方法 acquire 通過調(diào)用子類自定義實(shí)現(xiàn)的 tryAcquire 獲取鎖贰剥；
• 如果獲取鎖失敗倾剿，通過 addWaiter 方法將線程構(gòu)造成 Node 節(jié)點(diǎn)插入到同步隊(duì)列隊(duì)尾；
• 在 acquirQueued 方法中以自旋的方法嘗試獲取鎖蚌成，如果失敗則判斷是否需要將當(dāng)前線程阻塞前痘，如果需要阻塞則最終執(zhí)行 LockSupport(Unsafe) 中的 native API 來實(shí)現(xiàn)線程阻塞。

釋放鎖流程分析

在上面加鎖階段被阻塞的線程需要被喚醒過后才可以重新執(zhí)行担忧。那具體 AQS 是何時(shí)嘗試喚醒等待隊(duì)列中被阻塞的線程呢芹缔？

同加鎖過程一樣，釋放鎖需要從 ReentrantLock.unlock() 方法開始：

可以看出瓶盛，首先調(diào)用 tryRelease 方法嘗試釋放鎖最欠，如果成功最終會(huì)調(diào)用 AQS 中的 unparkSuccessor 方法來實(shí)現(xiàn)釋放鎖的操作示罗。unparkSuccessor 的具體實(shí)現(xiàn)如下：

解釋說明：

首先獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)（實(shí)際上傳入的是 head 節(jié)點(diǎn)）的狀態(tài)，如果 head 節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)是 null芝硬，或者下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為 CANCEL蚜点，則從等待隊(duì)列的尾部開始遍歷，直到尋找第一個(gè) waitStatus 小于 0 的節(jié)點(diǎn)拌阴。

如果最終遍歷到的節(jié)點(diǎn)不為 null绍绘，再調(diào)用 LockSupport.unpark 方法，調(diào)用底層方法喚醒線程迟赃。 至此脯倒，線程被喚醒的時(shí)機(jī)也分析完畢。

不得不說的 CAS

不管是在加鎖還是釋放鎖階段捺氢，多次提到了一種通用的操作：compareAndSetXXX藻丢。這種操作最終會(huì)調(diào)用 Unsafe 中的 API 進(jìn)行 CAS 操作。

CAS 全稱是 Compare And Swap摄乒，譯為比較和替換悠反，是一種通過硬件實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全的常用技術(shù)，底層通過利用 CPU 的 CAS 指令對(duì)緩存加鎖或總線加鎖的方式來實(shí)現(xiàn)多處理器之間的原子操作馍佑。

它的實(shí)現(xiàn)過程主要有 3 個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存值 V斋否，舊的預(yù)期值 E，要修改的新值 U拭荤，當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值 E和內(nèi)存值 V 相同時(shí)茵臭，才將內(nèi)存值 V 修改為 U，否則什么都不做舅世。

CAS 底層會(huì)根據(jù)操作系統(tǒng)和處理器的不同來選擇對(duì)應(yīng)的調(diào)用代碼旦委，以 Windows 和 X86 處理器為例，如果是多處理器雏亚，通過帶 lock 前綴的 cmpxchg 指令對(duì)緩存加鎖或總線加鎖的方式來實(shí)現(xiàn)多處理器之間的原子操作缨硝；如果是單處理器，通過 cmpxchg 指令完成原子操作罢低。

自定義 AQS

理解了 AQS 的設(shè)計(jì)思路查辩，接下來我們就可以通過自定義 AQS 來實(shí)現(xiàn)自己的同步實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

代碼中的 MyLock 就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的獨(dú)占鎖网持，通過使用 MyLock 也能實(shí)現(xiàn)同 synchronized 和 ReentrantLock 相同的功能宜岛。比如如下代碼：

最終打印的 count 值為 20000，說明兩個(gè)線程之間是線程安全的同步操作功舀。

總結(jié)

總體來說萍倡，AQS 是一套框架，在框架內(nèi)部已經(jīng)封裝好了大部分同步需要的邏輯日杈，在 AQS 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)狀態(tài)指示器 state 和一個(gè)等待隊(duì)列 Node遣铝，而通過 state 的操作又分為兩種：獨(dú)占式和共享式，這就導(dǎo)致 AQS 有兩種不同的實(shí)現(xiàn)：獨(dú)占鎖（ReentrantLock 等）和分享鎖（CountDownLatch莉擒、讀寫鎖等）酿炸。本課時(shí)主要從獨(dú)占鎖的角度深入分析了 AQS 的加鎖和釋放鎖的流程。

理解 AQS 的原理對(duì)理解 JUC 包中其他組件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)有幫助涨冀，并且理解其原理才能更好的擴(kuò)展其功能填硕。上層開發(fā)人員可以基于此框架基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)適合不同場(chǎng)景、不同功能的鎖鹿鳖。其中幾個(gè)有可能需要子類同步器實(shí)現(xiàn)的方法如下扁眯。

• lock()。
• tryAcquire(int)：獨(dú)占方式翅帜。嘗試獲取資源姻檀，成功則返回 true，失敗則返回 false涝滴。
• tryRelease(int)：獨(dú)占方式绣版。嘗試釋放資源，成功則返回 true歼疮，失敗則返回 false杂抽。
• tryAcquireShared(int)：共享方式。嘗試獲取資源韩脏。負(fù)數(shù)表示失斔豸铩；0 表示成功赡矢，但沒有剩余可用資源杭朱；正數(shù)表示成功，且有剩余資源吹散。
• tryReleaseShared(int)：共享方式痕檬。嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待結(jié)點(diǎn)返回 true送浊，否則返回 false梦谜。