Java中并发神器之鬼斧神功AQS及工作原理

一、AQS的概念

AQS全称AbstractQueuedSynchronizer，即抽象的队列同步器，是一种构建多线程同步机制的框架。AQS 解决了在实现同步器时涉及的大量细节问题，如自定义标准同步状态、FIFO 同步队列等。基于 AQS 来构建同步器可以带来很多好处，它不仅能够极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。
Java中基于AQS构建的并发同步器有：

• ReentrantLock
• Semaphore
• CountDownLatch
• ReentrantReadWriteLock
• SynchronusQueue
• CyclicBarrier等
  如图，通过AQS 抽象同步队列可以看到AQS构建的相关并发同步器：
  

二、AQS核心知识铺垫

2.1 核心思想

$AQS的核心思想为$: 若被请求的共享资源空闲，则将当前请求共享资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
$CLH队列$（Craig，Landin，and Hagersten）是一个虚拟的双向队列，虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在节点之间的关联关系。
AQS是将每一条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配。

如图所示：

2.2 核心组件

• Sync queue： 同步队列，是一个双向列表，包括head节点和tail节点。head节点主要用作后续的调度。
• Condition queue： 非必须，单向列表，当程序中存在condition的时候才会存在此列表。

2.3 核心设计思想

• 同步状态：AQS使用一个int成员变量来表示同步状态；
• 队列：使用Node实现FIFO队列，可以用于构建锁或者其他同步装置；
• AQS资源共享方式：
  • 独占Exclusive=>排它锁模式
  • 共享Share=>共享锁模式
    使用AQS实现的并发工具中，要么实现并使用了AQS的独占功能API，要么实现并使用了共享锁的功能API，而不会同时使用两套API，即便是最有名的子类ReentrantReadWriteLock也是通过两个内部类读锁和写锁分别实现了两套api来实现的。
    在构建自定义同步器时，只需要依赖AQS底层再实现共享资源state的获取与释放操作即可。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：
• 自定义同步器的实现
  • isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
  • tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
  • tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
  • tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
  • tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

三、AQS的实现原理

整体$实现原理$为：
线程在竞争资源时，首先尝试获取锁，若失败则将当前线程及等待状态等信息包装为一个Node节点加入到FIFO队列中。 若当前节点为Head头结点的直接后继节点则会不断循环尝试获取锁，否则非Head的直接后继节点时，失败后就会阻塞自己直到被唤醒。当持有锁的线程释放锁的时候，会唤醒队列中后继节点中的线程。

3.1 独占模式的AQS原理

同步状态的获取： 独占模式即在某一时刻只允许一个线程获取同步状态，当这个线程还未释放同步状态时，其他线程是无法获取的，需要加入到同步队列中进行等待。
该种模式下，我们可以将state的初始值设为0表示空闲。当某一个线程获取到同步状态时，使用CAS操作让state加1，表示非空闲，那么其他线程就只能等待了。
同步状态的释放： 在释放同步状态时，则不需要CAS操作，因为独占模式下只有一个线程能获取到同步状态。
ReentrantLock、CyclicBarrier正是基于此设计的。
其中ReentrantLock的state初始化为0表示未锁定状态。如下图，A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。

独占模式下的AQS是不响应中断，而是再次去判断其前驱节点是否为head节点，决定是否争抢同步状态。如果其前驱节点不是head节点或者争抢同步状态失败，那么再次挂起。加入到同步队列中的线程，如果因为中断而被唤醒的话，不会立即返回并且抛出InterruptedException。

3.2 共享模式的AQS原理

同步状态的获取： 共享模式允许多个线程同时获取到同步状态,共享模式下的AQS也是不响应中断的。该模式下我们可以将state的初始值设为N（N > 0），表示空闲。每当一个线程获取到同步状态时，就利用CAS操作让state减1，直到减到0表示非空闲，其他线程就只能加入到同步队列，进行等待。
同步状态的释放： 释放同步状态时，需要使用CAS进行操作，因为共享模式下，可能会有多个线程能获取到同步状态。
CountDownLatch、Semaphore正是基于此设计的。
如下图，CountDownLatch的任务分为N个子线程去执行，同步状态state也初始化为N（注意此时N要与线程个数保持一致）：