吃透Java并发：AQS结构详解及其CLH变种、CLH、MCS

1、前言

俗话说得好，学会AQS就学会了JUC。今天我们就来了解一下，这个传说中的AQS的内部结构。
（强烈建议英语好的同学直接看AQS的注释！！）

2、AQS的构成

抽象队列同步器（即AQS），通过一系列模板办法为我们实现JUC下各种各样的工具锁提供了基础，通过继承它，我们可以很轻松的实现一把自己的锁。

假如是让我们来实现锁的逻辑，结合synchronized的实现原理，我们很容易得出，我们需要：

表示线程是否被上锁的状态信息
线程竞争失败时需要存放的队列
能让线程进行阻塞/唤醒

有了这三个东西，我们就可以保证线程通过修改可见变量的状态来标识是否被占用，以及上锁失败时线程应该阻塞的地方。

当然，为了知道当前是哪个线程得到了锁资源，我们还需要一个变量来表明当前持锁线程：exclusiveOwnerThread。

2.1 状态信息state

在AQS中，使用了一个被volatile修饰的int类型变量来标识状态信息。

	/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

在使用过程中，我们可以通过定义volatile的状态来实现不同的逻辑。比如：

ReentrantLock中将state=0表示无锁状态，state>0表示加锁状态。如state=3就代表，有个线程已经持有锁，并且重入了两次。
CountDownLatch中则是在构造器中定义state的大小来实现计数器的功能
Semaphore中也是通过定义state的大小与修改state来实现限流器的功能

通过CAS来修改state的状态，AQS不用申请monitor就能保证线程安全，同时还能实现各种各样不同的功能。

2.2 节点信息Node

线程竞争失败，自然需要在一个地方阻塞等待条件成立。但是直接把Thread放进去队列似乎有点不太合适，既然是队列，就得有节点。于是AQS需要把线程封装成节点信息之后再放进去，这里贴一下Node的成员变量：

		/**
         * 标记节点未共享模式
         * */
        static final Node SHARED = new Node();
        /**
         *  标记节点为独占模式
         */
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        /**
         * 在同步队列中等待的线程等待超时或者被中断，需要从同步队列中取消等待
         * */
        static final int CANCELLED =  1;
        /**
         *  后继节点的线程处于等待状态，而当前的节点如果释放了同步状态或者被取消，
         *  将会通知后继节点，使后继节点的线程得以运行。
         */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /**
         *  节点在等待队列中，节点的线程等待在Condition上，当其他线程对Condition调用了signal()方法后，
         *  该节点会从等待队列中转移到同步队列中，加入到同步状态的获取中
         */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * 表示下一次共享式同步状态获取将会被无条件地传播下去
         */
        static final int PROPAGATE = -3;

        /**
         * 标记当前节点的信号量状态 (1,0,-1,-2,-3)5种状态
         * 使用CAS更改状态，volatile保证线程可见性，高并发场景下，
         * 即被一个线程修改后，状态会立马让其他线程可见。
         */
        volatile int waitStatus;

        /**
         * 前驱节点，当前节点加入到同步队列中被设置
         */
        volatile Node prev;

        /**
         * 后继节点
         */
        volatile Node next;

        /**
         * 节点同步状态的线程
         */
        volatile Thread thread;

        /**
         * 等待队列中的后继节点，如果当前节点是共享的，那么这个字段是一个SHARED常量，
         * 也就是说节点类型(独占和共享)和等待队列中的后继节点共用同一个字段。
         */
        Node nextWaiter;

这里我们关注三个点：

前驱节点： volatile Node prev;
后继节点：volatile Node next;
节点同步状态的线程：volatile Thread thread;

在关于AQS竞争与释放流程剖析的时候，这几个东西可是十分重要的。

2.3 阻塞/唤醒

其实这里没有什么好说的，这里AQS使用了LockSupport工具类中的方法，而再进一步就是使用了unsafe中的park和unpark方法。

如果还要进一步就是涉及到由C语言实现的_count（是否阻塞）、_cond（条件变量）、_mutex（互斥锁）。

2.4 当前持有锁线程

在AQS中并没有直接使用一个变量来标识当前持有锁的线程，而是选择继承了另一个抽象类：AbstractOwnableSynchronizer。

在这个类中，主要就是围绕当前持有锁线程变量提供了get/set操作。

public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;

    protected AbstractOwnableSynchronizer() { }

    /**
     * 独占模式同步器的当前持有线程.
     * transient关键字表示属性不参与序列化
     */
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

    protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
        exclusiveOwnerThread = thread;
    }

    protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
        return exclusiveOwnerThread;
    }
}

2.5 头结点与尾节点

关于这个，会在AQS多线程下获取与释放流程剖析时进行讲解。

	/**
     * 指向同步等待队列的头节点
     */
    private transient volatile Node head;

    /**
     * 指向同步等待队列的尾节点
     */
    private transient volatile Node tail;

3、CLH队列

CLH队列也是AQS的组成部分。之所以把它单独拎出来讲，是因为CLH是一种算法，而且AQS中是CLH队列的变种。同时CLH队列的优化还有MCS。

在讲CLH队列之前，我们先了解两个前置知识点（我抄来的）：

SMP(Symmetric Multi-Processor)
对称多处理器结构，指服务器中多个CPU对称工作，每个CPU访问内存地址所需时间相同。其主要特征是共享，包含对CPU，内存，I/O等进行共享。
SMP能够保证内存一致性，但这些共享的资源很可能成为性能瓶颈，随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，可能导致内存访问冲突，
可能会导致CPU资源的浪费。常用的PC机就属于这种。
NUMA(Non-Uniform Memory Access)
非一致存储访问，将CPU分为CPU模块，每个CPU模块由多个CPU组成，并且具有独立的本地内存、I/O槽口等，模块之间可以通过互联模块相互访问，
访问本地内存的速度将远远高于访问远地内存(系统内其它节点的内存)的速度，这也是非一致存储访问的由来。NUMA较好地解决SMP的扩展问题，
当CPU数量增加时，因为访问远地内存的延时远远超过本地内存，系统性能无法线性增加。