AQS讲解

1. AQS概述

AQS是一个抽象类，采用模板方法模式，定义了同步器的核心结构。子类通过继承AQS并实现其抽象方法（如tryAcquire、tryRelease）来管理同步状态，而AQS负责线程的排队、阻塞与唤醒。

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2. 核心组成

2.1 同步状态（State）

• 通过volatile int state变量表示资源状态。
• 子类通过CAS操作修改state，实现资源的获取与释放。
• 例如：
  • ReentrantLock：state表示持有锁的线程的重入次数。
  • Semaphore：state表示可用许可数。

2.2 等待队列（CLH变种）

• 使用双向链表实现FIFO队列，管理等待线程。
• 每个节点（Node）封装一个线程及其状态（如CANCELLED、SIGNAL）。
• 独占模式与共享模式节点共存于同一队列，通过Node.nextWaiter区分。

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3. 关键方法

3.1 模板方法

• 获取资源：
  • acquire(int arg)：独占式获取，忽略中断。
  • acquireShared(int arg)：共享式获取。
• 释放资源：
  • release(int arg)：独占式释放。
  • releaseShared(int arg)：共享式释放。

3.2 需子类实现的方法

• tryAcquire(int arg)：尝试独占获取。
• tryRelease(int arg)：尝试独占释放。
• tryAcquireShared(int arg)：尝试共享获取（返回剩余资源数）。
• tryReleaseShared(int arg)：尝试共享释放（返回是否成功）。

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4. 工作流程

4.1 获取资源（以独占模式为例）

1. 调用tryAcquire尝试直接获取资源。
2. 若失败，将线程封装为节点加入队列尾部（addWaiter）。
3. 自旋检查前驱节点是否为头节点，并尝试获取资源（acquireQueued）。
4. 若成功，将当前节点设为头节点；否则，挂起线程（LockSupport.park）。

4.2 释放资源

1. 调用tryRelease修改state。
2. 唤醒队列中下一个有效节点（unparkSuccessor）。

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5. 公平性与非公平性

• 非公平锁：线程可直接插队尝试获取资源（tryAcquire中不检查队列）。
• 公平锁：仅在队列为空或当前线程是头节点时才尝试获取（hasQueuedPredecessors()检查）。

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6. 条件变量（ConditionObject）

• 每个条件变量对应一个等待队列。
• await()：释放锁，线程加入条件队列并阻塞。
• signal()：将节点从条件队列转移到主同步队列，等待获取锁。

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7. 关键设计点

• CAS操作：用于安全修改state和队列结构（如compareAndSetState、compareAndSetTail）。
• 自旋与挂起：减少上下文切换，仅在必要时挂起线程（如acquireQueued中的自旋检查）。
• 传播机制：共享模式下，释放资源时唤醒后续多个节点（doReleaseShared）。

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8. 典型应用

• ReentrantLock：通过state实现可重入，区分公平/非公平。
• Semaphore：共享模式控制并发数。
• CountDownLatch：一次性屏障，state初始为计数。
• ReentrantReadWriteLock：读写锁，高16位表示读锁，低16位表示写锁。

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9. 示例代码（自定义互斥锁）

class Mutex extends AbstractQueuedSynchronizer {
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
        setExclusiveOwnerThread(null);
        setState(0);
        return true;
    }

    public void lock() { acquire(1); }
    public void unlock() { release(1); }
}

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