AQS原理分析

AQS概念

AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架，使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的 ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如 ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。当然，我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器

AQS原理概述

AQS的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求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使用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：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，仅存在结点之间的关联关系）。AQS 是将每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。

AQS使用一个int变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作，AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作，实现对其值的修改，

private volatile int state; //共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性

状态信息通过protected类型的getstate，setstate，compareandsetstate进行操作

//返回同步状态的当前值 protected final int getState() { return state; } // 设置同步状态的值 protected final void setState(int newState) { state = newState; } //原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值） protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); }

AQS对资源的共享方式

Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock，可分为公平锁和非公平锁 公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁 非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的Share（共享）：多个线程可以同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock

AQS底层模式

同步器的设计是基于模板模式的，如果需要自定义同步器一般的方式是：

使用者继承 AbstractQueuedSynchronizer 并重写指定的方法。（这些重写方法很简单，无非是对于共享资源 state 的获取和释放）将 AQS 组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法

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，成功则返回true，失败则返回false。

默认情况下，每个方法都会抛出UnsupportedOperationException，这些方法的实现必须是内部安全的，并且通常应该简短而不阻塞，AQS 类中的其他方法都是 final ，所以无法被其他类使用，只有这几个方法可以被其他类使用

以 ReentrantLock 为例，state 初始化为 0，表示未锁定状态。A 线程 lock()时，会调用 tryAcquire()独占该锁并将 state+1。此后，其他线程再 tryAcquire()时就会失败，直到 A 线程 unlock()到 state=0（即释放锁）为止，其它线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A 线程自己是可以重复获取此锁的（state 会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多么次，这样才能保证 state 是能回到零态的。

再以 CountDownLatch 以例，任务分为 N 个子线程去执行，state 也初始化为 N（注意 N 要与线程个数一致）。这 N 个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后 countDown()一次，state 会 CAS(Compare and Swap)减 1。等到所有子线程都执行完后(即 state=0)，会 unpark()主调用线程，然后主调用线程就会从 await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但 AQS 也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock

AQS组件总结

Semaphore（信号量）：允许多个线程同时访问，synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源，Semaphore(信号量)可以指定多个线程同时访问某个资源。CountDownLatch（倒计时器）：CountDownLatch 是一个同步工具类，用来协调多个线程之间的同步。这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。CyclicBarrier（循环栅栏）：CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常类似，它也可以实现线程间的技术等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加复杂和强大。主要应用场景和 CountDownLatch 类似。CyclicBarrier 的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续干活。CyclicBarrier 默认的构造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用 await()方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

这里加一点线程内存屏障的知识 写内存屏障：在指令后插入Store Barrier，让写入缓存中的最新的数据更新，写入主内存，让其他线程可见。强制写入主内存，这种显示调用，CPU就不会因为性能考虑，而去对指令进行重排。 读内存屏障：在指令前加入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从主内存当中加载数据。强制读取内存内容可以让CPU缓存和主内存保持一致，避免了缓存导致的一致性问题。