学Java的竟然有人不会AQS机制

Java中的并发包大家应该都或多或少的了解过，说到并发包也就不得不提我们今天要说的AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS，这个是很多并发工具类的实现基础

 public abstract class AbstractQueuedSynchronizer     extends AbstractOwnableSynchronizer     implements java.io.Serializable

类如其名，抽象的队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch

深入探究AQS 

先来看这个图，图中有颜色的为Method，无颜色的为Attribution

总的来说，AQS框架共分为五层，自上而下由浅入深，从AQS对外暴露的API到底层基础数据

当有自定义同步器接入时，只需重写第一层所需要的部分方法即可，不需要关注底层具体的实现流程

道理也很简单，就像我们说的，这个东西是一个抽象的同步器，它将加锁和解锁这些操作交给了具体的实现类来自己实现，就像这样

当自定义同步器进行加锁或者解锁操作时，先经过第一层的API进入AQS内部方法，然后经过第二层进行锁的获取，获取锁成功之后便直接执行相应的逻辑，对于获取锁失败的流程，进入第三层和第四层的等待队列处理，而这些处理方式均依赖于第五层的基础数据提供层

这样给大家说的话，应该很容易就可以理解了

AQS的实现数据结构

研究过AQS的同学应该对这个图都很熟悉了，AQS的核心就是state+Node+CLH变体双向队列

核心思想就是通过一个volatile类型state状态来表示共享资源的状态，如果被请求的资源空闲，就将获得共享资源的线程设置为当前有效的线程，然后修改state为锁定状态，其它的线程及时可见

共享资源被占用之后，其它线程肯定不能直接就返回失败啊，这样这个并发包的高效就没得了，所以就引入了一个双向队列，这个双向等待队列放置那些暂时还未抢到共享资源的线程，来完成等待唤醒机制

实际上，AQS的运行中的这个CLH变体的双向队列，不知存储未抢到共享资源的线程，而抢到共享资源的这个线程也会作为队列的头节点head存在

CLH：Craig、Landin and Hagersten队列，是单向链表，AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列（FIFO），AQS是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。

这么说大家应该就很容易懂了吧，就是大家一起抢共享资源，抢到的就是有效线程，放到双向队列的head头节点，没抢到的就依次往后排

我们接着看一下Node节点是怎么做的

这个是Node节点的属性值和含义

简单解释一下，waitStatus就是节点在队列中的状态，Thread就是当前节点的线程，prev和next是前驱指针和后继指针

这里的重点就是waitStatus属性

CANCELLED(1)：表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。

SIGNAL(-1)：表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。

CONDITION(-2)：表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。

PROPAGATE(-3)：共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。

0：新结点入队时的默认状态。

正是由于这个特点，负值表示结点处于有效等待状态，而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常

同步状态state

AQS中维护了一个名为state的字段，意为同步状态，是由Volatile修饰的，用于展示当前临界资源的获锁情况。

private volatile int state;

对于这个state，AQS也是提供了几个方法

这几个方法都是final类型的，子类是无法修改的

在AQS中的是有两种加锁模式的，一种是共享式，一种是独占式，共享式也很简单，就是通过控制AQS中的state数值即可

state是AQS中的volatile类型，具有可见性，用于记录加锁状态和重入的次数，当然不只是重入次数，其实这个state在不同的实现类中是有不同的意义的

【ReentrantLock】：state用于记录锁的持有状态和重入次数，state=0表示没有线程持有锁；state=1表示有一个线程持有锁；state=N表示exclusiveOwnerThread这个线程N次重入了这个锁。

【ReentrantReadWriteLock】：state用于记录读写锁的占用状态和持有线程数量（读锁）、重入次数（写锁），state的高16位记录持有读锁的线程数量，低16位记录写锁线程重入次数，如果这16位的值是0，表示没有线程占用锁，否则表示有线程持有锁。

另外针对读锁，每个线程获取到的读锁次数由本地线程变量中的HoldCounter记录。

【Semaphore】：state用于计数。state=N表示还有N个信号量可以分配出去，state=0表示没有信号量了，此时所有需要acquire信号量的线程都等着；

【CountDownLatch】：state也用于计数，每次countDown都减一，减到0的时候唤醒被await阻塞的线程。

切记：区分开volatile类型的state属性和Node节点中的waitStatus属性

抢占共享资源也是有两种方式的：公平锁和非公平锁

大家用过ReentrantLock的同学肯定都知道，默认的是非公平锁，但是我们可以传入一个参数设置为公平锁

按照ReentrantLock来说一下公平锁和非公平锁

公平锁，是公平的，可以保证获取锁的线程按照先来后到的顺序，获取到锁。

非公平锁，各个线程获取到锁的顺序，不一定和它们申请的先后顺序一致，有可能后来的线程，反而先获取到了锁。

在实现上，公平锁在进行lock时，首先会进行tryAcquire()操作。

在tryAcquire中，会判断等待队列中是否已经有别的线程在等待了。如果队列中已经有别的线程了，则tryAcquire失败，则将自己加入队列。

如果队列中没有别的线程，则进行获取锁的操作。

非公平锁，在进行lock时，会直接尝试进行加锁，如果成功，则获取到锁，如果失败，则进行和公平锁相同的动作。

从公平锁和非公平的实现上来看，他们的操作基本相同，唯一的区别在于，在lock时，非公平锁会直接先进行尝试加锁的操作。

当前一个线程完成了锁的使用，并且释放了，而且此时等待队列非空时，如果这是有新线程申请锁，那么，公平锁和非公平锁的表现就会出现差异。

公平锁

优点：线程按照顺序获取锁，不会出现饿死现象(注：饿死现象是指一个线程的CPU执行时间都被其他线程占用，导致得不到CPU执行。

缺点：整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒线程的开销比非公平锁要大。

非公平锁

优点：可以减少唤起线程上下文切换的消耗，整体吞吐量比公平锁高。

缺点：在高并发环境下可能造成线程优先级反转和饿死现象。

AQS作为并发编程的框架，为很多其他同步工具提供了良好的解决方案。下面列出了JUC中的几种同步工具，大体介绍一下AQS的应用场景：

结束语