AQS锁原理

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一、AQS是什么？

AQS（Abstract Queued Synchronizer）是一个抽象的队列同步器，通过维护一个共享资源状态（Volatile Int State）和一个先进先出（FIFO）的线程等待队列来实现一个多线程访问共享资源的同步框架。

二、AQS原理

AQS为每个共享资源都设置一个共享资源锁，线程在需要访问共享资源时首先需要获取共享资源锁，如果获取到了共享资源锁，便可以在当前线程中使用该共享资源，如果获取不到，则将该线程放入线程等待队列（双向队列），等待下一次资源调度，具体的流程如图所示。许多同步类的实现都依赖于AQS，例如常用的ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch。

三、STATE：状态

Abstract Queued Synchronizer维护了一个volatile int类型的变量state，用于表示当前的同步状态。Volatile虽然不能保证操作的原子性，但是能保证当前变量state的可见性。

state的访问方式有三种：getState()，setState()、compareAndSetState()均是原子操作，其中，compareAndSetState的实现依赖于Unsafe的compareAndSwapInt()。具体的JDK代码实现如下：

	/**
    * 锁的状态
    */
    private volatile int state;

	//返回共享资源状态，此操作的内存语义为volatile修饰的原子读操作
	protected final int getState() {
        return state;
    }
    
	//设置共享资源状态，此操作的内存语义为volatile修饰的原子写操作
	protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }
    /*
    *如果当前状态值等于预期值，则原子化地将同步状态设置为给定的更新值。
    *此操作的内存语义为volatile修饰的原子读写操作
    */
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

四、AQS共享资源的方式：独占式和共享式

AQS定义了两种资源共享方式：独占式（Exclusive）和共享式（Share）。

• 独占式（Exclusive）：只有一个线程能执行，具体的Java实现有ReentrantLock。
• 共享式：多个线程可同时执行，具体的Java实现有Semaphore和CountDownLatch。

AQS只是一个框架，只定义了一个接口，具体资源的获取、释放都交由自定义同步器去实现。不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同，自定义同步器在实现时只需实现共享资源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，不需要具体的同步器再做处理。.

4.1 独占式实现

ReentrantLock对AQS的独占方式实现为：ReentrantLock中的state初始值为0时表示无锁状态。在线程执行tryAcquire()获取该锁后ReentrantLock中的state+1，这时该线程独占ReentrantLock锁，其他线程在通过tryAcquire()获取锁时均会失败，直到该线程释放锁后state再次为0，其他线程才有机会获取该锁。该线程在释放锁之前可以重复获取此锁，每获取一次便会执行一次state+1，因此ReentrantLock也属于可重入锁。但获取多少次锁就要释放多少次锁，这样才能保证state最终为0。如果获取锁的次数多于释放锁的次数，则会出现该线程一直持有该锁的情况；如果获取锁的次数少于释放锁的次数，则运行中的程序会报锁异常。

4.1 共享式

CountDownLatch对AQS的共享方式实现为：CountDownLatch将任务分为N个子线程去执行，将state也初始化为N, N与线程的个数一致，N个子线程是并行执行的，每个子线程都在执行完成后countDown()一次，state会执行CAS操作并减1。在所有子线程都执行完成（state=0）时会unpark()主线程，然后主线程会从await()返回，继续执行后续的动作。

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总结

AQS是juc包下lock接口的底层实现原理，其维护了一个维护了一个volatile int类型的变量state用来表示锁的状态，并且底层维护了一个双向队列用来阻塞竞争锁的线程，提供了独占式和共享式的资源获取方式，有公平与非公平锁的实现原理。