Java 并发编程 ----- AQS（抽象队列同步器）

AQS即AbstractQueuedSynchronizer的缩写，是并发编程中实现同步器的一个框架。框架，框架，重要的事情说三遍，框架就是说它帮你处理了很大一部分的逻辑，其它功能需要你来扩展。想想你使用Spring框架的场景，Spring帮助开发者实现IOC容器的bean依赖管理，标签解析等，我们只需要对bean进行配置即可，其他不用管。

AQS基于一个FIFO双向队列实现，被设计给那些依赖一个代表状态的原子int值的同步器使用。我们都知道，既然叫同步器，那个肯定有个代表同步状态（临界资源）的东西，在AQS中即为一个叫state的int值，该值通过CAS进行原子修改。

在AQS中存在一个FIFO队列，队列中的节点表示被阻塞的线程，队列节点元素有4种类型， 每种类型表示线程被阻塞的原因，这四种类型分别是：

• CANCELLED : 表示该线程是因为超时或者中断原因而被放到队列中
• CONDITION : 表示该线程是因为某个条件不满足而被放到队列中，需要等待一个条件，直到条件成立后才会出队
• SIGNAL : 表示该线程需要被唤醒
• PROPAGATE ： 表示在共享模式下，当前节点执行释放 release 操作后，当前结点需要传播通知给后面所有节点

由于一个共享资源同一时间只能由一条线程持有，也可以被多个线程持有，因此AQS中存在两种模式，如下：

• 1、独占模式

  独占模式表示共享状态值state每次只能由一条线程持有，其他线程如果需要获取，则需要阻塞,如JUC中的 ReentrantLock

• 2、共享模式

  共享模式表示共享状态值state每次可以由多个线程持有，如JUC中的 CountDownLatch

二、AQS 中的核心数据结构和方法

1、既然AQS是基于一个FIFO队列的框架，那么我们先来看下队列的元素节点Node的数据结构，源码如下：

static final class Node {
    /**共享模式*/
    static final Node SHARED = new Node();
    /**独占模式*/
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /**标记线程由于中断或超时，需要被取消，即踢出队列*/
    static final int CANCELLED =  1;
    /**线程需要被唤醒*/
    static final int SIGNAL = -1;
    /**线程正在等待一个条件*/
    static final int CONDITION = -2;
    /**
     * 传播
     */
    static final int PROPAGATE = -3;
    
    // waitStatus只取上面CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE四种取值之一
    volatile int waitStatus;

    // 表示前驱节点
    volatile Node prev;

    // 表示后继节点
    volatile Node next;

    // 队列元素需要关联一个线程对象
    volatile Thread thread;

    // 表示下一个waitStatus值为CONDITION的节点
    Node nextWaiter;

    /**
     * 是否当前结点是处于共享模式
     */
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }

    /**
     * 返回前一个节点，如果没有前一个节点，则抛出空指针异常
     */
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        // 获取前一个节点的指针
        Node p = prev;
        // 如果前一个节点不存在
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
        // 否则返回
            return p;
    }

    // 初始化头节点使用
    Node() {}

    /**
     *  当有线程需要入队时，那么就创建一个新节点，然后关联该线程对象，由addWaiter()方法调用
     */
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }

    /**
     * 一个线程需要等待一个条件阻塞了，那么就创建一个新节点，关联线程对象
     */
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

总结下Node节点数据结构设计，队列中的元素，肯定是为了保存由于某种原因导致无法获取共享资源state而被入队的线程，因此 Node 中使用了 waitStatus 表示节点入队的原因，使用 Thread 对象来表示节点所关联的线程。至于 prev , next ，则是一般双向队列数据结构必须提供的指针，用于对队列进行相关操作。

2、AQS中的共享状态值

之前提到，AQS是基于一个共享的int类型的state值来实现同步器同步的，其声明如下：

/**
 * 同步状态值
 */
private volatile int state;

/**
 * 获取同步状态值
 */
protected final int getState() {
    return state;
}

/**
 * 修改同步状态值
 */
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

由源码我们可以看出，AQS声明了一个int类型的state值，为了达到多线程同步的功能，必然对该值的修改必须多线程可见，因此，state采用volatile修饰，而且 getState() 和 setState() 方法采用final进行修饰，目的是限制AQS的子类只能调用这两个方法对state的值进行设置和获取，而不能对其进行重写自定义设置/获取逻辑。

AQS中提供对state值修改的方法不仅仅只有 setState() 和 getState() ，还有诸如采用CAS机制进行设置的 compareAndSetState() 方法，同样，该方法也是采用 final 修饰的，不允许子类重写，只能调用。

3、AQS中的tryXXX方法

一般基于AQS实现的同步器，如 ReentrantLock , CountDownLatch 等，对于state的获取操作，子类只需重写其 tryAcquire() 和 tryAcquireShared() 方法即可，这两个方法分别对应独占模式和共享模式下对state的获取操作；而对于释放操作，子类只需重写 tryRelease() 和 tryReleaseShared() 方法即可。

至于如何维护队列的出队、入队操作，子类不用管，AQS已经帮你做好了。

三、AQS 设计妙处

优秀的项目总会有亮点可挖，AQS也是。小编在看了AQS的源码之后，结合其他作者相关博客，总结了以下两点感觉很优秀的设计点，这是我们应该学习的，前辈总是那么优秀。

1、自旋锁

当我们执行一个有确定结果的操作，同时又需要并发正确执行，通常可以采用自旋锁实现。在AQS中，自旋锁采用 死循环 + CAS 实现。针对AQS中的 enq() 进行讲解：

private Node enq(final Node node) {
    // 死循环 + CAS ，解决入队并发问题
    /**
     * 假设有三个线程同时都需要入队操作，那么使用死循环和CAS可保证并发安全，同一时间只有一个节点安全入队，入队失败的线程则循环重试
     * 
     * 1、如果不要死循环可以吗？只用CAS.
     *   不可以，因为如果其他线程修改了tail的值，导致1处代码返回false，那么方法enq方法将推出，导致该入队的节点却没能入队
     * 
     * 2、如果只用死循环，不需要CAS可以吗？
     *   不可以，首先不需要使用CAS,那就没必要再使用死循环了，再者，如果不使用CAS，那么当执行1处代码时，将会改变队列的结构
     */
    for (;;) {
        // 获取尾部节点
        Node t = tail;
        // 如果还没有初始化，那么就初始化
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                // 刚开始肯定是头指针和尾指针相等
                tail = head;
        } else {
            // 当前结点的前驱节点等于尾部节点
            node.prev = t;
            // 如果当前尾结点仍然是t,那么执行入队并返回true，否则返回false,然后重试
            if (compareAndSetTail(t, node)) {   // 1
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

首先入队操作要求的最终结果必须是一个节点插入到队列中去，只能成功，不能失败！然而这个入队的操作是需要并发执行的，有可能同时有很多的线程需要执行入队操作，因此我们需要采取相关的线程同步机制。自旋锁采取乐观策略，即使用了CAS中的 compareAndSet() 操作，如果某次执行返回fasle,那么当前操作必须重试，因此，采用for死循环直到成功为止，成功，则break跳出for循环或者直接return操作退出方法。

2、模板方法

在AQS中，模板方法设计模式体现在其 acquire()、release() 方法上，我们先来看下源码：

public final void acquire(int arg) {
        // 首先尝试获取共享状态，如果获取成功，则tryAcquire()返回true
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

其中调用 tryAcquire() 方法的默认实现是抛出一个异常，也就是说 tryAcquire() 方法留给子类去实现， acquire() 方法定义了一个模板，一套处理逻辑，相关具体执行方法留给子类去实现。

关于更多模板方法设计模式，可以查阅 谈一谈我对‘模板方法’设计模式的理解（Template）

四、自定义自己的并发同步器

下边以 JDK 文档的一个实例进行介绍：

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
    // 自定义同步器
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 判断是否锁定状态
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量
            if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1; // 限定为1个量
            if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！
                throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);//释放资源，放弃占有状态
            return true;
        }
    }

    // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！
    private final Sync sync = new Sync();

    //lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    //unlock<-->release。两者语文一样：释放资源。
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    //锁是否占有状态
    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
}

实现自己的同步类一般都会自定义同步器（sync），并且将该类定义为内部类，供自己使用；而同步类自己（Mutex）则实现某个接口，对外服务。当然，接口的实现要直接依赖sync，它们在语义上也存在某种对应关系！！而sync只用实现资源state的获取-释放方式tryAcquire-tryRelelase，至于线程的排队、等待、唤醒等，上层的AQS都已经实现好了，我们不用关心。

除了Mutex，ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore这些同步类的实现方式都差不多，不同的地方就在获取-释放资源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了这点，AQS的核心便被攻破了！