java中的AQS-01原理以及使用

java中的AQS

什么是AQS

AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，如下图所示。AQS为一系列同步器依赖于一个单独的原子变量（state）的同步器提供了一个非常有用的基础。子类们必须定义改变state变量的protected方法，这些方法定义了state是如何被获取或释放的。鉴于此，本类中的其他方法执行所有的排队和阻塞机制。子类也可以维护其他的state变量，但是为了保证同步，必须原子地操作这些变量。

AbstractQueuedSynchronizer中对state的操作是原子的，且不能被继承。所有的同步机制的实现均依赖于对改变量的原子操作。为了实现不同的同步机制，我们需要创建一个非共有的（non-public internal）扩展了AQS类的内部辅助类来实现相应的同步逻辑。AbstractQueuedSynchronizer并不实现任何同步接口，它提供了一些可以被具体实现类直接调用的一些原子操作方法来重写相应的同步逻辑。AQS同时提供了互斥模式（exclusive）和共享模式（shared）两种不同的同步逻辑。一般情况下，子类只需要根据需求实现其中一种模式，当然也有同时实现两种模式的同步类，如ReadWriteLock。接下来将详细介绍AbstractQueuedSynchronizer的提供的一些具体实现方法。

AQS的设计和结构

设计思想

同步器的核心方法是acquire和release操作，其背后的思想也比较简洁明确。

acquire操作

　while (当前同步器的状态不允许获取操作) {

如果当前线程不在队列中，则将其插入队列

　　阻塞当前线程

　　}

如果线程位于队列中，则将其移出队列

release操作

更新同步器的状态

if (新的状态允许某个被阻塞的线程获取成功){

　　解除队列中一个或多个线程的阻塞状态

}

三大组件

从这两个操作中的思想中我们可以提取出三大关键操作：同步器的状态变更、线程阻塞和释放、插入和移出队列。所以为了实现这两个操作，需要协调三大关键操作引申出来的三个基本组件：

同步器状态的原子性管理；
线程阻塞与解除阻塞；
　队列的管理；

　　由这三个基本组件，我们来看j.u.c是怎么设计的。

同步状态

AQS类使用单个int（32位）来保存同步状态，并暴露出getState、setState以及compareAndSet操作来读取和更新这个同步状态。其中属性state被声明为volatile，并且通过使用CAS指令来实现compareAndSetState，使得当且仅当同步状态拥有一个一致的期望值的时候，才会被原子地设置成新值，这样就达到了同步状态的原子性管理，确保了同步状态的原子性、可见性和有序性。

private volatile int state;

protected final int getState() {
    return state;
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

　　基于AQS的具体实现类（如锁、信号量等）必须根据暴露出的状态相关的方法定义tryAcquire和tryRelease方法，以控制acquire和release操作。当同步状态满足时，tryAcquire方法必须返回true，而当新的同步状态允许后续acquire时，tryRelease方法也必须返回true。这些方法都接受一个int类型的参数用于传递想要的状态。

//尝试获取
   protected boolean tryAcquire(int arg) {
       throw new UnsupportedOperationException();
   }

//尝试释放
   protected boolean tryRelease(int arg) {
       throw new UnsupportedOperationException();
   }

阻塞

通过JUC包提供了LockSupport类来解决这个问题。方法LockSupport.park阻塞当前线程直到有个LockSupport.unpark方法被调用。unpark的调用是没有被计数的，因此在一个park调用前多次调用unpark方法只会解除一个park操作。另外，它们作用于每个线程而不是每个同步器。一个线程在一个新的同步器上调用park操作可能会立即返回，因为在此之前可以有多余的unpark操作。但是，在缺少一个unpark操作时，下一次调用park就会阻塞。虽然可以显式地取消多余的unpark调用，但并不值得这样做。在需要的时候多次调用park会更高效。park方法同样支持可选的相对或绝对的超时设置，以及与JVM的Thread.interrupt结合，可通过中断来unpark一个线程。

public class LockSupport {
    private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.

	//唤醒指定线程
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            UNSAFE.unpark(thread);
    }
	
	//阻塞当前线程
    public static void park() {
        UNSAFE.park(false, 0L);
    }

}

队列

整个框架的核心就是如何管理线程阻塞队列，该队列是严格的FIFO队列，因此不支持线程优先级的同步。同步队列的最佳选择是自身没有使用底层锁来构造的非阻塞数据结构，业界主要有两种选择，一种是MCS锁，另一种是CLH锁。其中CLH一般用于自旋，但是相比MCS，CLH更容易实现取消和超时，所以同步队列选择了CLH作为实现的基础。

　　CLH队列实际并不那么像队列，它的出队和入队与实际的业务使用场景密切相关。它是一个链表队列，通过AQS的两个字段head（头节点）和tail（尾节点）来存取，这两个字段是volatile类型，初始化的时候都指向了一个空节点。

入队操作：CLH队列是FIFO队列，故新的节点到来的时候，是要插入到当前队列的尾节点之后。试想一下，当一个线程成功地获取了同步状态，其他线程将无法获取到同步状态，转而被构造成为节点并加入到同步队列中，而这个加入队列的过程必须要保证线程安全，因此同步器提供了一个CAS方法，它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。入队操作示意图大致如下：

出队操作：因为遵循FIFO规则，所以能成功获取到AQS同步状态的必定是首节点，首节点的线程在释放同步状态时，会唤醒后续节点，而后续节点会在获取AQS同步状态成功的时候将自己设置为首节点。设置首节点是由获取同步成功的线程来完成的，由于只能有一个线程可以获取到同步状态，所以设置首节点的方法不需要像入队这样的CAS操作，只需要将首节点设置为原首节点的后续节点同时断开原节点、后续节点的引用即可。出队操作示意图大致如下：

条件队列

上一节的队列其实是AQS的同步队列，这一节的队列是条件队列，队列的管理除了有同步队列，还有条件队列。AQS只有一个同步队列，但是可以有多个条件队列。AQS框架提供了一个ConditionObject类，给维护独占同步的类以及实现Lock接口的类使用。

ConditionObject类实现了Condition接口，Condition接口提供了类似Object管程式的方法，如await、signal和signalAll操作，还扩展了带有超时、检测和监控的方法。ConditionObject类有效地将条件与其它同步操作结合到了一起。该类只支持Java风格的管程访问规则，这些规则中，当且仅当当前线程持有锁且要操作的条件（condition）属于该锁时，条件操作才是合法的。这样，一个ConditionObject关联到一个ReentrantLock上就表现的跟内置的管程（通过Object.wait等）一样了。两者的不同仅仅在于方法的名称、额外的功能以及用户可以为每个锁声明多个条件。

　　ConditionObject类和AQS共用了内部节点，有自己单独的条件队列。signal操作是通过将节点从条件队列转移到同步队列中来实现的，没有必要在需要唤醒的线程重新获取到锁之前将其唤醒。signal操作大致示意图如下：

　await操作就是当前线程节点从同步队列进入条件队列进行等待，大致示意图如下：

实现这些操作主要复杂在，因超时或Thread.interrupt导致取消了条件等待时，该如何处理。await和signal几乎同时发生就会有竞态问题，最终的结果遵照内置管程相关的规范。JSR133修订以后，就要求如果中断发生在signal操作之前，await方法必须在重新获取到锁后，抛出InterruptedException。但是，如果中断发生在signal后，await必须返回且不抛异常，同时设置线程的中断状态。

AQS应用

AQS被大量的应用在了同步工具上。

　　ReentrantLock：ReentrantLock类使用AQS同步状态来保存锁重复持有的次数。当锁被一个线程获取时，ReentrantLock也会记录下当前获得锁的线程标识，以便检查是否是重复获取，以及当错误的线程试图进行解锁操作时检测是否存在非法状态异常。ReentrantLock也使用了AQS提供的ConditionObject，还向外暴露了其它监控和监测相关的方法。

　　ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock类使用AQS同步状态中的16位来保存写锁持有的次数，剩下的16位用来保存读锁的持有次数。WriteLock的构建方式同ReentrantLock。ReadLock则通过使用acquireShared方法来支持同时允许多个读线程。

　　Semaphore：Semaphore类（信号量）使用AQS同步状态来保存信号量的当前计数。它里面定义的acquireShared方法会减少计数，或当计数为非正值时阻塞线程；tryRelease方法会增加计数，在计数为正值时还要解除线程的阻塞。

　　CountDownLatch：CountDownLatch类使用AQS同步状态来表示计数。当该计数为0时，所有的acquire操作（对应到CountDownLatch中就是await方法）才能通过。

　　FutureTask：FutureTask类使用AQS同步状态来表示某个异步计算任务的运行状态（初始化、运行中、被取消和完成）。设置（FutureTask的set方法）或取消（FutureTask的cancel方法）一个FutureTask时会调用AQS的release操作，等待计算结果的线程的阻塞解除是通过AQS的acquire操作实现的。

　　SynchronousQueues：SynchronousQueues类使用了内部的等待节点，这些节点可以用于协调生产者和消费者。同时，它使用AQS同步状态来控制当某个消费者消费当前一项时，允许一个生产者继续生产，反之亦然。

除了这些JUC提供的工具，还可以基于AQS自定义符合自己需求的同步器。