（六）Java并发编程之AQS

AQS提供了一套多线程访问共享资源的同步器框架，是一个依赖状态(state)的同步器，用于实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关的同步器（信号量，事件等）。其具体子类实现AQS定义的protected方法，原子更新实际状态对应的 state 值；AQS中的其他方法实现所有的等待和阻塞机制。

AQS层级结构

AQS.png

AQS框架实现类.png

AQS具备特性

阻塞等待队列
共享/独占
公平/非公平
可重入
允许中断

AQS同步框架原理

// acquire操作如下：
while (synchronization state does not allow acquire) {  //当同步状态获取失败
    enqueue current thread if not already queued;  //如果当前线程未进入等待队列，将其放入等待队列;
    possibly block current thread; //如果当前线程在等待队列，尝试阻塞改线程
}
dequeue current thread if it was queued;    //将当前线程移出等待队列
  
// release操作如下：    
if (state may permit a blocked thread to acquire){  // 如果当前状态允许一个阻塞的线程申请获取
    unblock one or more queued threads;    // 唤醒一个或多个阻塞队列中等待的线程
}

为了实现上述操作，需要下面三个基本组件的相互协作：

同步状态的原子性管理。
等待队列的管理。
线程的阻塞与解除阻塞。

AQS源码初探（JDK11）

AbstractQueuedSynchronizer 之父类 AbstractOwnableSynchronizer

/** AbstractQueuedSynchronizer 的父类，为当前涉及所有权概念的同步器提供了基础。**/
public abstract class AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 3737899427754241961L;

    protected AbstractOwnableSynchronizer() { }
    // 当前访问独占锁的线程
    private transient Thread exclusiveOwnerThread;

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

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

AbstractQueuedSynchronizer 之主要属性

// 由head 和 tail 节点即可组成一个等待队列，其具体节点为内部类Node

/** 等待队列的头，延迟初始化。
除初始化外，只能通过setHead方法进行修改。
注意：如果head存在，则保证其waitStatus不被取消。*/
private transient volatile Node head;
/** 等待队列的尾部，延迟初始化;
仅通过 enq(Node node) 方法进行修改以添加新的等待节点。*/
private transient volatile Node tail;

/** 同步状态 */
private volatile int state;
 // VarHandle mechanics 变量句柄，对属性进行原子操作
private static final VarHandle STATE;
private static final VarHandle HEAD;
private static final VarHandle TAIL;

static {
    try {
        MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
        STATE = l.findVarHandle(AbstractQueuedSynchronizer.class, "state", int.class);
        HEAD = l.findVarHandle(AbstractQueuedSynchronizer.class, "head", Node.class);
        TAIL = l.findVarHandle(AbstractQueuedSynchronizer.class, "tail", Node.class);
    } catch (ReflectiveOperationException e) {
        throw new ExceptionInInitializerError(e);
    }
    Class<?> ensureLoaded = LockSupport.class;
}

AQS的功能主要分为两类：独占锁和共享锁。在它的所有子类中，要么实现了它的独占功能的API，要么实现了共享功能的API。
当AQS的子类实现独占功能时，如ReentrantLock，只要AQS的state变量不为0，并且持有锁的线程不是当前线程，那么代表资源不可访问。
当AQS的子类实现共享功能时，如CountDownLatch，只要AQS的state变量不为0，那么代表资源不可以为访问。

AbstractQueuedSynchronizer 之内部类 Node

//
static final class Node {
        /** 标记节点正在共享模式下持有锁 */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** 标记节点正在独占模式下持有锁 */
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        /** waitStatus状态：标记线程撤销获取锁状态，以便被清理出队列*/
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus状态：标记当前节点线程离开队列时要去唤醒下一个节点线程执行*/
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus状态：标记当前等待队列中排队*/
        static final int CONDITION = -2;
        /** waitStatus状态：标记后继结点可以直接获取锁*/
        static final int PROPAGATE = -3;
        /** 当前节点的等待状态；非负数表示节点不用发出信号；对于普通同步节点，该字段初始化为0， */
        volatile int waitStatus;

        /** 当前节点的前任节点，在入队时分配，出队时清空；
            在前任节点取消后，会短路并且重新设置该节点值；
            线程只会取消自身，不会取消其他任何节点 */
        volatile Node prev;
        /** 当前节点的后继节点，在排队期间分配，在出队时清零，在对应的后继节点取消时调整；
            如果当前的后继节点为空，则从尾部扫描上一个节点来再次检查确定是不是尾部；
            被取消的下一节点会设置为节点本身而不是null，以使 isOnSyncQueue 更轻松判断；*/
        volatile Node next;
        /** 此节点对应的线程 */
        volatile Thread thread;
        /** 链接到等待条件的下一个节点，或者链接到特殊值SHARED；*/
        Node nextWaiter;

        /** 节点在共享模式下等待，则返回true */
        final boolean isShared() {
            return nextWaiter == SHARED;
        }
        /** 返回上一个节点 */
        final Node predecessor() {
            Node p = prev;
            if (p == null)
                throw new NullPointerException();
            else
                return p;
        }

        /** 构造头部或者共享标记 */
        Node() {}
        /** 构造要添加的下一个节点 */
        Node(Node nextWaiter) {
            this.nextWaiter = nextWaiter;
            THREAD.set(this, Thread.currentThread());
        }
        /** 构造条件队列节点 */
        Node(int waitStatus) {
            WAITSTATUS.set(this, waitStatus);
            THREAD.set(this, Thread.currentThread());
        }

        /**  CAS设置信号量 */
        final boolean compareAndSetWaitStatus(int expect, int update) {
            return WAITSTATUS.compareAndSet(this, expect, update);
        }
        /**  CAS设置下一个节点 */
        final boolean compareAndSetNext(Node expect, Node update) {
            return NEXT.compareAndSet(this, expect, update);
        }
        final void setPrevRelaxed(Node p) {
            PREV.set(this, p);
        }

        // VarHandle mechanics
        /** 变量句柄：原子下操作当前节点属性；JDK9以前是用Unsafe类来加内存屏障*/
        private static final VarHandle NEXT;
        private static final VarHandle PREV;
        private static final VarHandle THREAD;
        private static final VarHandle WAITSTATUS;
        static {
            try {
                MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
                NEXT = l.findVarHandle(Node.class, "next", Node.class);
                PREV = l.findVarHandle(Node.class, "prev", Node.class);
                THREAD = l.findVarHandle(Node.class, "thread", Thread.class);
                WAITSTATUS = l.findVarHandle(Node.class, "waitStatus", int.class);
            } catch (ReflectiveOperationException e) {
                throw new ExceptionInInitializerError(e);
            }
        }
    }

Node代表同步队列和条件队列中的一个结点，它是AbstractQueuedSynchronizer的内部类。Node有很多属性，比如持有模式，等待状态，同步队列中的前继和后继，以及条件队列中的后继引用等等。可以把同步队列和条件队列看成是排队区，每个结点看成是排队区的座位，将线程看成是排队的客人。客人刚来时会先去敲敲门，看看锁有没有开，如果锁没开它就会去排队区领取一个号码牌，声明自己想要以什么样的方式来持有锁，最后再到队列的末尾进行排队。

CLH队列

CLH队列其实就是AQS的 head 和 tail 节点构成的一个双向队列

CLH.png

其入队出队方式后续具体分析。

总结：
其实 AQS 本质上是就是一个当前资源的状态和CLH等待队列，资源在空闲则进行分配，同时修改资源状态；资源被充分占用则添加到等待队列排队即可。其具体的互斥锁；公平锁；可重入等效果由锁的实现类对AQS锁实现的方法按需使用达到其效果，具体的实现过程后续进行分析。

参考：