二、多线程(7)AQS抽象队列同步器

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#AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是构建Java并发工具的核心框架，用于实现锁、信号量等同步组件。它采用模板方法模式，提供同步状态管理、线程阻塞与唤醒及同步队列维护等功能。ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等工具类均基于AQS实现。

AQS（java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer）是用来构建锁或者其他同步组件（信号量、事件等）的基础框架类。JDK中许多并发工具类的内部实现都依赖于AQS，如ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch等等。学习AQS的使用与源码实现对深入理解concurrent包中的类有很大的帮助。

一、作用

AQS的主要使用方式是继承它作为一个内部辅助类实现同步原语，它可以简化你的并发工具的内部实现，屏蔽同步状态管理、线程的排队、等待与唤醒等底层操作。

AQS设计基于模板方法模式，开发者需要继承同步器并且重写指定的方法，将其组合在并发组件的实现中，调用同步器的模板方法，模板方法会调用使用者重写的方法。

1.原理

AQS内部维护一个CLH队列来管理锁。
线程会首先尝试获取锁，如果失败，则将当前线程以及等待状态等信息包成一个Node节点加到同步队列里。
接着会不断循环尝试获取锁（条件是当前节点为head的直接后继才会尝试）,如果失败则会阻塞自己，直至被唤醒；
而当持有锁的线程释放锁时，会唤醒队列中的后继线程。

它维护了一个 volatile int state（代表共享资源）和一个 FIFO 线程等待队列（多线程争用资源被 阻塞时会进入此队列）。这里 volatile 是核心关键词，具体 volatile 的语义，在此不述。state 的 访问方式有三种: 

  • getState() 
  • setState() 
  • compareAndSetState() 

AQS主要做了三件事情

  • 同步状态的管理
  • 线程的阻塞和唤醒
  • 同步队列的维护

2.实际使用

  1. ReentrantLock: 使用了AQS的独占获取和释放,用state变量记录某个线程获取独占锁的次数,获取锁时+1，释放锁时-1，在获取时会校验线程是否可以获取锁。
  2. Semaphore: 使用了AQS的共享获取和释放，用state变量作为计数器，只有在大于0时允许线程进入。获取锁时-1，释放锁时+1。
  3. CountDownLatch: 使用了AQS的共享获取和释放，用state变量作为计数器，在初始化时指定。只要state还大于0，获取共享锁会因为失败而阻塞，直到计数器的值为0时，共享锁才允许获取，所有等待线程会被逐一唤醒。

 二、操作

1.获取/释放锁原理

①获取锁

获取锁的思路很直接：

while (不满足获取锁的条件) {
    把当前线程包装成节点插入同步队列
    if (需要阻塞当前线程)
        阻塞当前线程直至被唤醒
}
将当前线程从同步队列中移除

以上是一个很简单的获取锁的伪代码流程，AQS的具体实现比这个复杂一些，也稍有不同，但思想上是与上述伪代码契合的。
通过循环检测是否能够获取到锁，如果不满足，则可能会被阻塞，直至被唤醒。

②释放锁

释放锁的过程设计修改同步状态，以及唤醒后继等待线程：

修改同步状态
if (修改后的状态允许其他线程获取到锁)
    唤醒后继线程

这只是很简略的释放锁的伪代码示意，AQS具体实现中能看到这个简单的流程模型。

2.API

①

下面三个protected final方法是AQS中用来访问/修改同步状态的方法:

  • int getState(): 获取同步状态

  • void setState(): 设置同步状态

  • boolean compareAndSetState(int expect, int update)：基于CAS，原子设置当前状态

 ②

在自定义基于AQS的同步工具时，我们可以选择覆盖实现以下几个方法来实现同步状态的管理：

方法描述
boolean tryAcquire(int arg)试获取独占锁
boolean tryRelease(int arg)试释放独占锁
int tryAcquireShared(int arg)试获取共享锁
boolean tryReleaseShared(int arg)试释放共享锁
boolean isHeldExclusively()当前线程是否获得了独占锁

以上的几个试获取/释放锁的方法的具体实现应当是无阻塞的。

③

AQS本身将同步状态的管理用模板方法模式都封装好了，以下列举了AQS中的一些模板方法：

方法描述
void acquire(int arg)获取独占锁。会调用tryAcquire方法，如果未获取成功，则会进入同步队列等待
void acquireInterruptibly(int arg)响应中断版本的acquire
boolean tryAcquireNanos(int arg,long nanos)响应中断+带超时版本的acquire
void acquireShared(int arg)获取共享锁。会调用tryAcquireShared方法
void acquireSharedInterruptibly(int arg)响应中断版本的acquireShared
boolean tryAcquireSharedNanos(int arg,long nanos)响应中断+带超时版本的acquireShared
boolean release(int arg)释放独占锁
boolean releaseShared(int arg)释放共享锁
Collection getQueuedThreads()获取同步队列上的线程集合

上面看上去很多方法，其实从语义上来区分就是获取和释放，从模式上区分就是独占式和共享式，从中断相应上来看就是支持和不支持。

参考：https://www.cnblogs.com/micrari/p/6937995.html

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总综上，head 在并发的过程中是可能被别的线程修改的，所以需要 h == null 和 （h = head） == null 的判断，同时为了防止节点都能被唤醒，所以 head.waitStatus = 0 的情况下 设置 head.waitStatus = PROPAGATE，并且 在 setHeadAndPropagate 方法里通过 h.waitStatus < 0 的判断避免节点出现无法唤醒的情况，不得不说，设计真的非常巧妙。Node 节点就是用来包装一个个的线程的。
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### 抽象队列同步器 AQS 的原理与实现 #### 1. AQS 的定义与作用 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包 `java.util.concurrent` 中的一个核心组件，它提供了一种框架化的机制来构建锁和其他同步工具。AQS 使用了一个基于 FIFO 的双向链表队列来管理线程之间的竞争关系，并通过状态变量控制线程的同步行为[^1]。 #### 2. 核心组成部分 ##### （1）状态变量（state） AQS 维护一个名为 `state` 的整型变量，用来表示同步状态。不同的子类可以通过原子操作修改这个变量以反映资源的占有情况。例如，在 ReentrantLock 中，`state` 表示当前锁被持有的次数；而在 Semaphore 中，`state` 则代表剩余信号量的数量[^3]。 ##### （2）CLH 队列 为了高效地处理大量线程的竞争，AQS 内部采用 CLH（Craig, Landin, and Hagersten locks）变体形式的队列结构。当一个线程试图获取锁失败时，会被封装成节点加入到该队列中等待下一次机会。每个节点包含了指向前后相邻节点的指针以及一些标志位用于记录自身的状况[^4]。 #### 3. 主要方法分类 根据职责划分，AQS 定义了一系列模板方法供开发者覆盖实现： - **独占模式 vs 共享模式** - 独占模式意味着同一时刻只有一个线程能成功获得许可执行关键路径上的代码片段。 - 共享模式允许多个线程同时持有相同的权限级别而不违反约束条件。 - **tryAcquire/tryRelease 系列函数** 这些是非公平版本下的尝试性接口，默认情况下不考虑排队顺序直接抢夺资源使用权。如果调用者满足准入资格则返回 true ，否则 false 。对于释放动作而言则是更新内部计数器并将可能唤醒下一个候选者[^2]。 - **acquire/acquireShared 方法族** 正常途径进入临界区的方式分为两类：一是完全遵循既定规则逐级向上申请直至达成目的为止；二是允许一定程度上的投机取巧即所谓的“乐观锁定策略”。 - **release/releaseShared 函数组** 类似于上面提到的内容只不过方向反转过来而已——前者是从拥有权角度出发逐步削减直到彻底放弃掌控权；后者强调集体利益最大化原则之下共同退让部分权益给后来者享用[^2]。 #### 4. 锁定机制详解 以下是有关如何运用 AQS 构建自定义同步原语的一些简单例子： ```java public class MyMutex extends AbstractQueuedSynchronizer { protected boolean tryAcquire(int acquires) { if (compareAndSetState(0, 1)) { // CAS 更新 state 值 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } protected boolean tryRelease(int releases) { if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException(); setState(0); // 清零恢复初始态 setExclusiveOwnerThread(null); // 解绑当前所有者信息 return true; // 返回值决定是否通知后续待命成员 } public void lock() { acquire(1); } public void unlock() { release(1); } } ``` 上述代码展示了怎样借助 AQS 来模拟互斥锁的行为特性。其中重点在于重写两个虚基类提供的纯虚函数分别对应加锁解锁两阶段的操作逻辑[^3]。 --- ###
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