并发编程的AQS

Java AQS

AQS的背景由来

在JDK1.5的时候就引入了JUC包，也就是从这一个包开始，提供了一系列支持并发的组件。这一些组件呢是通过一个叫同步器来维护着的，同步器主要是维护这几个功能：第一个是同步状态的管理，第二个是同步状态的更新和检查。下面来看看juc是由什么组件构成的。

同步器可以用来实现其他形式的同步器。就好比如用可重入锁实现了信号量，反之信号量也能实现可重入锁，这样的方式会明显具有不灵活性、复杂性。所以的话通过AQS这个组件来构建juc的工具类，这就是AQS的产生背景了。

AQS的结构

分析下面的AQS结构可以看出来有同步器的状态变更操作，线程阻塞和释放操作、插入和移出队列操作。

同步状态：

AQS类是使用了单个int来保存同步状态的，并且把get/setState和compareAndSet暴露出去，来读取与更新这个同步状态。这里面的state是volatile，并且又通过CAS指令来实现了compareAndSetState，使得当同步状态同步的状态有一个一致的期望值的时候，才会被原子设置新值。这样就可以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。

阻塞：

阻塞和解除线程它都是属于Java内的内置管程，没有其他不是Java内置的API可以让线程阻塞和解除线程阻塞。

队列：

整个框架的核心就是怎么管理这个线程阻塞队列，这个队列是先进先出队列，所以的话是不支持线程的优先级同步。同步队列自身没有使用到底层的锁来构造不是阻塞的数据结构。
入队操作：因为CLH队列是FIFO队列，所以新节点来的时候，是需要插入到队列的尾结点。
出队操作：遵循FIFO的规则，首节点在释放线程的同步状态时，会把后续的节点唤醒，而后续的节点再获得AQS同步状态，所以的话在设置首节点就不需要像入队那样操作。只需要把首节点设置为源节点的后续节点，同时又断开源节点后续节点的引用即可。

条件队列： 队列除了有同步队列、还有条件队列。AQS只可以有一个同步队列，但是可以有多个条件队列，有一个ConditionObject类，给维护同步的类使用。ConditionObject类实现了Condition接口，这个接口提供了Object管程式方法，还有超时、检测和监控的这些方法。ConditionObject将条件跟其他的同步操作结合了。
ConditionObject和AQS是共用的内部节点，有属于自己的条件队列。

方法结构

独占式同步状态

独占式的同步状态是调用了acquire，主要是完成同步状态的获取、加入同步队列。同步队列自旋等相关的操作，逻辑是这样的：首先是调用了子类实现tryAcquire的方法，这个方法可以保证线程的安全获取同步状态，这时候如果是获取失败的话，就构造了独占式的同步节点，然后再通过addwaiter方法把这个节点加入到同步队列的尾部，最后调用了acquireQueued方法，就让该节点自旋方式获取同步状态。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
    }

tryAcquire()尝试直接去获取资源，如果成功则直接返回，AQS里面未实现但没有定义成abstract，因为独占模式下只用实现tryAcquire-tryRelease，而共享模式下只用实现tryAcquireShared-tryReleaseShared，类似设计模式里面的适配器模式
addWaiter() 根据不同模式将线程加入等待队列的尾部，有Node.EXCLUSIVE互斥模式、Node.SHARED共享模式；如果队列不为空，则以通过compareAndSetTail方法以CAS将当前线程节点加入到等待队列的末尾。否则通过enq(node)方法初始化一个等待队列
acquireQueued()使线程在等待队列中获取资源，一直获取到资源后才返回，如果在等待过程中被中断，则返回true，否则返回false

节点自旋

独占式获取同步状态流程图

AQS的应用

• ReentrantLock：ReentrantLock使用AQS同步状态来存储锁重复持有的次数。当锁被线程获取时，ReentrantLock也会记录下当前获得锁的线程标识，以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。
• ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock类使用AQS同步状态中来保存写锁持有的次数和读锁的持有次数。ReadLock则通过使用acquireShared方法来支持多个读线程。
• 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。