AQS

1. AQS 介紹

AQS的全稱爲（AbstractQueuedSynchronizer），這個類在java.util.concurrent.locks包下面。

AQS是一個用來構建鎖和同步器的框架，使用AQS能簡單且高效地構造出應用廣泛的大量的同步器，比如我們提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的諸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基於AQS的。當然，我們自己也能利用AQS非常輕鬆容易地構造出符合我們自己需求的同步器。

2. AQS 原理分析

AQS 原理這部分參考了部分博客，在5.2節末尾放了鏈接。

在面試中被問到併發知識的時候，大多都會被問到“請你說一下自己對於AQS原理的理解”。下面給大家一個示例供大家參加，面試不是背題，大家一定要加入自己的思想，即使加入不了自己的思想也要保證自己能夠通俗的講出來而不是背出來。

下面大部分內容其實在AQS類註釋上已經給出了，不過是英語看着比較吃力一點，感興趣的話可以看看源碼。

2.1. AQS 原理概覽

AQS核心思想是，如果被請求的共享資源空閒，則將當前請求資源的線程設置爲有效的工作線程，並且將共享資源設置爲鎖定狀態。如果被請求的共享資源被佔用，那麼就需要一套線程阻塞等待以及被喚醒時鎖分配的機制，這個機制AQS是用CLH隊列鎖實現的，即將暫時獲取不到鎖的線程加入到隊列中。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)隊列是一個虛擬的雙向隊列（虛擬的雙向隊列即不存在隊列實例，僅存在結點之間的關聯關係）。AQS是將每條請求共享資源的線程封裝成一個CLH鎖隊列的一個結點（Node）來實現鎖的分配。

看個AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理圖：

AQS使用一個int成員變量來表示同步狀態，通過內置的FIFO隊列來完成獲取資源線程的排隊工作。AQS使用CAS對該同步狀態進行原子操作實現對其值的修改。

private volatile int state;//共享變量，使用volatile修飾保證線程可見性

狀態信息通過protected類型的getState，setState，compareAndSetState進行操作

//返回同步狀態的當前值
protected final int getState() {  
        return state;
}
 // 設置同步狀態的值
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState;
}
//原子地（CAS操作）將同步狀態值設置爲給定值update如果當前同步狀態的值等於expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

2.2. AQS 對資源的共享方式

AQS定義兩種資源共享方式

• Exclusive（獨佔）：只有一個線程能執行，如ReentrantLock。又可分爲公平鎖和非公平鎖：
  • 公平鎖：按照線程在隊列中的排隊順序，先到者先拿到鎖
  • 非公平鎖：當線程要獲取鎖時，無視隊列順序直接去搶鎖，誰搶到就是誰的
• Share（共享）：多個線程可同時執行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我們都會在後面講到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是組合式，因爲ReentrantReadWriteLock也就是讀寫鎖允許多個線程同時對某一資源進行讀。

不同的自定義同步器爭用共享資源的方式也不同。自定義同步器在實現時只需要實現共享資源 state 的獲取與釋放方式即可，至於具體線程等待隊列的維護（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等），AQS已經在頂層實現好了。

2.3. AQS底層使用了模板方法模式

同步器的設計是基於模板方法模式的，如果需要自定義同步器一般的方式是這樣（模板方法模式很經典的一個應用）：

1. 使用者繼承AbstractQueuedSynchronizer並重寫指定的方法。（這些重寫方法很簡單，無非是對於共享資源state的獲取和釋放）
2. 將AQS組合在自定義同步組件的實現中，並調用其模板方法，而這些模板方法會調用使用者重寫的方法。

這和我們以往通過實現接口的方式有很大區別，這是模板方法模式很經典的一個運用。

AQS使用了模板方法模式，自定義同步器時需要重寫下面幾個AQS提供的模板方法：

isHeldExclusively()//該線程是否正在獨佔資源。只有用到condition才需要去實現它。
tryAcquire(int)//獨佔方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryRelease(int)//獨佔方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。嘗試獲取資源。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。

默認情況下，每個方法都拋出 UnsupportedOperationException。 這些方法的實現必須是內部線程安全的，並且通常應該簡短而不是阻塞。AQS類中的其他方法都是final ，所以無法被其他類使用，只有這幾個方法可以被其他類使用。

以ReentrantLock爲例，state初始化爲0，表示未鎖定狀態。A線程lock()時，會調用tryAcquire()獨佔該鎖並將state+1。此後，其他線程再tryAcquire()時就會失敗，直到A線程unlock()到state=0（即釋放鎖）爲止，其它線程纔有機會獲取該鎖。當然，釋放鎖之前，A線程自己是可以重複獲取此鎖的（state會累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多麼次，這樣才能保證state是能回到零態的。

再以CountDownLatch以例，任務分爲N個子線程去執行，state也初始化爲N（注意N要與線程個數一致）。這N個子線程是並行執行的，每個子線程執行完後countDown()一次，state會CAS(Compare and Swap)減1。等到所有子線程都執行完後(即state=0)，會unpark()主調用線程，然後主調用線程就會從await()函數返回，繼續後餘動作。

一般來說，自定義同步器要麼是獨佔方法，要麼是共享方式，他們也只需實現tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種即可。但AQS也支持自定義同步器同時實現獨佔和共享兩種方式，如ReentrantReadWriteLock。

推薦兩篇 AQS 原理和相關源碼分析的文章：

• http://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html
• https://www.cnblogs.com/chengxiao/archive/2017/07/24/7141160.html

3. AQS 組件總結

• Semaphore(信號量)-允許多個線程同時訪問： synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允許一個線程訪問某個資源，Semaphore(信號量)可以指定多個線程同時訪問某個資源。
• CountDownLatch （倒計時器）： CountDownLatch是一個同步工具類，用來協調多個線程之間的同步。這個工具通常用來控制線程等待，它可以讓某一個線程等待直到倒計時結束，再開始執行。
• CyclicBarrier(循環柵欄)： CyclicBarrier 和 CountDownLatch 非常類似，它也可以實現線程間的技術等待，但是它的功能比 CountDownLatch 更加複雜和強大。主要應用場景和 CountDownLatch 類似。CyclicBarrier 的字面意思是可循環使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，讓一組線程到達一個屏障（也可以叫同步點）時被阻塞，直到最後一個線程到達屏障時，屏障纔會開門，所有被屏障攔截的線程纔會繼續幹活。CyclicBarrier默認的構造方法是 CyclicBarrier(int parties)，其參數表示屏障攔截的線程數量，每個線程調用await()方法告訴 CyclicBarrier 我已經到達了屏障，然後當前線程被阻塞。