Java面经之AQS原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）即 队列同步器，是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

       同步器的主要使用方式是继承。子类推荐被定义为自定义同步组件的静态内部类，同步器自身没有实现任何同步接口，它仅仅是定义了若干同步状态获取和释放的方法来供自定义同步组件使用，同步器既可以支持独占式地获取同步状态，也可以支持共享式地获取同步状态。

       同步器的设计是基于模板方法模式的，也就是说，使用者需要继承同步器并重写指定的方法，随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，并调用同步器提供的模板方法，而这些模板方法将会调用使用者重写的方法。重写同步器指定的方法时，需要使用同步器提供的如下3个方法来访问或修改同步状态。

·getState()：获取当前同步状态。

·setState(int newState)：设置当前同步状态。

·compareAndSetState(int expect,int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性。

       同步器提供的模板方法基本上分为3类：独占式获取与释放同步状态、共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。自定义同步组件将使用同步器提供的模板方法来实现自己的同步语义。

       下面看下 同步器可被重写的方法如下（如，ReentrantLock就重写了下面的某些方法） 

同步器可重写的方法如图：

下面我们就举个例子，看独占锁（独占锁就是在同一时刻只能有一个线程获取到锁，而其他获取锁的线程只能处于同步队列中等待，只有获取锁的线程释放了锁，后继的线程才能够获取锁）是如何利用AQS，和重写他的方法来达到独占锁的效果的。

public class Mutex implements Lock {    // 静态内部类，自定义同步器    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        // 是否处于占用状态        protected boolean isHeldExclusively() {            return getState() == 1;        }        // 当状态为0的时候获取锁        public boolean tryAcquire(int acquires) {            if (compareAndSetState(0, 1)) {                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());                return true;            }            return false;        }        // 释放锁，将状态设置为0        protected boolean tryRelease(int releases) {            if (getState() == 0) throw new                    IllegalMonitorStateException();            setExclusiveOwnerThread(null);            setState(0);            return true;        }        // 返回一个Condition，每个condition都包含了一个condition队列        Condition newCondition() { return new ConditionObject(); }    }    // 仅需要将操作代理到Sync上即可    private final Sync sync = new Sync();    public void lock() { sync.acquire(1); }    public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); }    public void unlock() { sync.release(1); }    public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); }    public boolean isLocked() { return sync.isHeldExclusively(); }    public boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); }    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {        sync.acquireInterruptibly(1);    }    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));    }        }

Mutex中定义了一个静态内部类，该内部类继承了同步器并实现了独占式获取和释放同步状态。在tryAcquire(int acquires)方法中，如果经过CAS设置成功（同步状态设置为1），则代表获取了同步状态，而在tryRelease(int releases)方法中只是将同步状态重置为0。用户使用Mutex时并不会直接和内部同步器的实现打交道，而是调用Mutex提供的方法，在Mutex的实现中，以获

取锁的lock()方法为例，只需要在方法实现中调用同步器的模板方法acquire(int args)即可。

      下面我们队队列同步器AQS的实现进行分析。主要包括：同步队列、独占式同步状态获取与释放、共享式同步状态获取与释放以及超时获取同步状态等同步器的核心数据结构与模板方法。

        同步器依赖内部的同步队列（一个FIFO双向队列）来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。节点（Node）用来保存获取同步状态失败的线程引用、等待状态以及前驱和后继节点，具体的定义和状态大家可以自行去看下源码这里略过。同步队列的基本结构如图所示：

        同步器包含了两个节点类型的引用，一个指向头节点，而另一个指向尾节点。试想一下，当一个线程成功地获取了同步状态（或者锁），其他线程将无法获取到同步状态，转而被构造成为节点并加入到同步队列中，而这个加入队列的过程必须要保证线程安全，因此同步器提供了一个基于CAS的设置尾节点的方法：compareAndSetTail(Node expect,Nodeupdate)，它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。

        同步队列遵循FIFO，首节点是获取同步状态成功的节点，首节点的线程在释放同步状态时，将会唤醒后继节点，而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。

        下面分别看下独占式同步状态获取与释放和共享式同步状态获取与释放是如何实现的。

        1）独占式同步状态获取与释放

       通过调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，该方法对中断不敏感，也就是由于线程获取同步状态失败后进入同步队列中，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步队列中移出，该方法代码如下：

    上述代码主要完成了同步状态获取、节点构造、加入同步队列以及在同步队列中自旋等待的相关工作，其主要逻辑是：首先调用自定义同步器实现的tryAcquire(int arg)方法，该方法保证线程安全的获取同步状态，如果同步状态获取失败，则构造同步节点并通过addWaiter(Node node)方法将该节点加入到同步队列的尾部，最后调用acquireQueued(Node node,int arg)方法，使得该节点以“死循环”的方式获取同步状态。如果获取不到则阻塞节点中的线程，而被阻塞线程的唤醒主要依靠前驱节点的出队或阻塞线程被中断来实现。

    我们看下同步器的addWaiter和enq的实现代码如下：

上述代码通过使用compareAndSetTail(Node expect,Node update)方法来确保节点能够被线程安全添加。

在enq(final Node node)方法中，同步器通过“死循环”来保证节点的正确添加，在“死循环”中只有通过CAS将节点设置成为尾节点之后，当前线程才能从该方法返回，否则，当前线程不断地尝试设置。

 节点进入同步队列之后，就进入了一个自旋的过程（acquireQueued方法），每个节点（或者说每个线程）都在自省地观察，当条件满足，获取到了同步状态，就可以从这个自旋过程中退出，否则依旧留在这个自旋过程中（并会阻塞节点的线程），如代码所示

在acquireQueued(final Node node,int arg)方法中，当前线程在“死循环”中尝试获取同步状态，而只有前驱节点是头节点才能够尝试获取同步状态。

独占式同步状态获取流程，也就是acquire(int arg)方法调用流程，如图所示

下面看下如何释放释放同步状态的：

        该方法执行时，会唤醒头节点的后继节点线程，unparkSuccessor(Node node)方法使用LockSupport（这里不做介绍）来唤醒处于等待状态的线程。

       适当做个总结：在获取同步状态时，同步器维护一个同步队列，获取状态失败的线程都会被加入到队列中并在队列中进行自旋；移出队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头节点且成功获取了同步状态。在释放同步状态时，同步器调用tryRelease(int arg)方法释放同步状态，然后唤醒头节点的后继节点。

      2）共享式同步状态获取与释放

      共享式获取与独占式获取最主要的区别在于同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。

      通过调用同步器的acquireShared(int arg)方法可以共享式地获取同步状态，该方法代码如下:

       在acquireShared(int arg)方法中，同步器调用tryAcquireShared(int arg)方法尝试获取同步状态，tryAcquireShared(int arg)方法返回值为int类型，当返回值大于等于0时，表示能够获取到同步状态。因此，在共享式获取的自旋过程中，成功获取到同步状态并退出自旋的条件就是tryAcquireShared(int arg)方法返回值大于等于0。可以看到，在doAcquireShared(int arg)方法的自旋过程中，如果当前节点的前驱为头节点时，尝试获取同步状态，如果返回值大于等于0，表示该次获取同步状态成功并从自旋过程中退出.

     与独占式一样，共享式获取也需要释放同步状态，通过调用releaseShared(int arg)方法可以释放同步状态，该方法代码:

        该方法在释放同步状态之后，将会唤醒后续处于等待状态的节点。对于能够支持多个线程同时访问的并发组件（比如Semaphore），它和独占式主要区别在于tryReleaseShared(int arg)方法必须确保同步状态（或者资源数）线程安全释放，一般是通过循环和CAS来保证的，因为释放同步状态的操作会同时来自多个线程

  3）独占式超时获取同步状态

        通过调用同步器的doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)方法可以超时获取同步状态，即在指定的时间段内获取同步状态，如果获取到同步状态则返回true，否则，返回false。该方法提供了传统Java同步操作（比如synchronized关键字）所不具备的特性。

       超时获取同步状态过程可以被视作响应中断获取同步状态过程的“增强版”，doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)方法在支持响应中断的基础上，增加了超时获取的特性。针对超时获取，主要需要计算出需要睡眠的时间间隔nanosTimeout，为了防止过早通知，nanosTimeout计算公式为：nanosTimeout-=now-lastTime，其中now为当前唤醒时间，lastTime为上次唤醒时间，如果nanosTimeout大于0则表示超时时间未到，需要继续睡眠nanosTimeout纳秒，反之，表示已经超时.具体代码这里就不贴出来了。大致的流程图如下：

        独占式超时获取同步状态doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)和独占式获取同步状态acquire(int args)在流程上非常相似，其主要区别在于未获取到同步状态时的处理逻辑。acquire(int args)在未获取到同步状态时，将会使当前线程一直处于等待状态，而doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)会使当前线程等待nanosTimeout纳秒，如果当前线程在nanosTimeout纳秒内没有获取到同步状态，将会从等待逻辑中自动返回。