JUC（三）：深入解析AQS

一. AbstractQueuedSynchronizer简介

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发工具包中的一个框架类，用于构建锁和同步器。通过使用AQS，开发者可以轻松地创建各种同步器，如ReentrantLock、Semaphore等。AQS的核心思想是通过一个int类型的成员变量表示同步状态，并使用FIFO队列来管理线程的等待和唤醒。

1. AQS 核心思想

AQS的核心思想是，如果请求的共享资源空闲，则将当前请求的线程设置为有效的工作线程，并锁定资源。如果资源被占用，则需要一套线程阻塞和唤醒机制（CLH队列），即将线程加入到队列中等待资源释放。

AQS将线程封装成CLH锁队列的一个节点（Node）来实现锁的分配。AQS使用一个int成员变量表示同步状态，通过FIFO队列来完成排队，AQS通过CAS操作完成对状态的修改。

2. AQS 对资源的共享方式

AQS定义了两种资源共享方式：

• Exclusive（独占）：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。又分为公平锁和非公平锁：
  • 公平锁：按照队列中的排队顺序获取锁。
  • 非公平锁：无视队列顺序，谁抢到就是谁的。
• Share（共享）：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经帮我们实现好了。

二. AbstractQueuedSynchronizer数据结构

AQS的底层数据结构使用CLH队列（一个虚拟的双向队列）。AQS将请求资源的线程封装成CLH锁队列的一个节点来实现锁的分配。

• Sync Queue：同步队列，使用双向链表，其中head节点主要用于后续的调度。
• Condition Queue：不是必须的，是一个单向链表，只有使用condition时才会使用此单向链表。

三. AbstractQueuedSynchronizer源码分析

内部类 - Node类

Node类是AQS的内部类，用于表示同步队列中的节点。每个节点包含以下信息：

• 模式：分为共享模式（SHARED）和独占模式（EXCLUSIVE）。
• 状态：表示节点的状态，如CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE等。
• 前驱和后继节点：用于形成双向链表。
• 线程：节点所对应的线程。

内部类 - ConditionObject类

ConditionObject类实现了Condition接口，提供了条件操作规范，包括await、signal等方法。这些方法用于控制线程的等待和唤醒。

类的属性

AQS类包含了一些重要的属性，如头节点head、尾节点tail、状态state等。这些属性通过Unsafe类进行CAS操作，确保线程安全。

类的核心方法 - acquire方法

acquire方法以独占模式获取资源，忽略中断。具体步骤如下：

1. 调用tryAcquire方法尝试获取资源，如果成功则返回。
2. 如果tryAcquire失败，则调用addWaiter方法将当前线程封装成节点并加入同步队列。
3. 调用acquireQueued方法，使节点在队列中不断尝试获取资源，直到成功或被中断。

类的核心方法 - release方法

release方法以独占模式释放资源。具体步骤如下：

1. 调用tryRelease方法尝试释放资源，如果成功则继续。
2. 如果头节点不为空且状态不为0，则调用unparkSuccessor方法唤醒头节点的后继节点。

AbstractQueuedSynchronizer总结

对于AQS的分析，最核心的部分是同步队列（sync queue）的管理。以下是几个关键点：

• 每个节点都是由前一个节点唤醒。
• 当节点发现前驱节点是头节点并且尝试获取资源成功，则会轮到该线程运行。
• condition queue中的节点向sync queue中转移是通过signal操作完成的。
• 当节点的状态为SIGNAL时，表示后面的节点需要运行。

参考：AQS详解