（轉）Java併發包基石-AQS詳解

背景:以前在研究多線程的時候，模模糊糊知道AQS這個東西，可是對於其內部是如何實現，以及具體應用不是很理解，還自認爲多線程已經學習的很到位了，貽笑大方。

Java併發包基石-AQS詳解
Java併發包（JUC）中提供了不少併發工具，這其中，不少咱們耳熟能詳的併發工具，譬如ReentrangLock、Semaphore，它們的實現都用到了一個共同的基類--AbstractQueuedSynchronizer,簡稱AQS。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普遍的大量的同步器，好比咱們提到的ReentrantLock，Semaphore，其餘的諸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基於AQS的。固然，咱們本身也能利用AQS很是輕鬆容易地構造出符合咱們本身需求的同步器。

基本實現原理

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

狀態信息經過procted類型的getState，setState，compareAndSetState進行操做

AQS支持兩種同步方式：

　　1.獨佔式

　　2.共享式

　　這樣方便使用者實現不一樣類型的同步組件，獨佔式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，組合式的如ReentrantReadWriteLock。總之，AQS爲使用提供了底層支撐，如何組裝實現，使用者能夠自由發揮。

同步器的設計是基於模板方法模式的，通常的使用方式是這樣：

　　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。

這實際上是模板方法模式的一個很經典的應用。

咱們來看看AQS定義的這些可重寫的方法：

　　　　protected boolean tryAcquire(int arg) : 獨佔式獲取同步狀態，試着獲取，成功返回true，反之爲false

　　　　protected boolean tryRelease(int arg) ：獨佔式釋放同步狀態，等待中的其餘線程此時將有機會獲取到同步狀態；

　　　　protected int tryAcquireShared(int arg) ：共享式獲取同步狀態，返回值大於等於0，表明獲取成功；反之獲取失敗；

　　　　protected boolean tryReleaseShared(int arg) ：共享式釋放同步狀態，成功爲true，失敗爲false

　　　　protected boolean isHeldExclusively() ： 是否在獨佔模式下被線程佔用。

關於AQS的使用，咱們來簡單總結一下：

　　如何使用

　　首先，咱們須要去繼承AbstractQueuedSynchronizer這個類，而後咱們根據咱們的需求去重寫相應的方法，好比要實現一個獨佔鎖，那就去重寫tryAcquire，tryRelease方法，要實現共享鎖，就去重寫tryAcquireShared，tryReleaseShared；最後，在咱們的組件中調用AQS中的模板方法就能夠了，而這些模板方法是會調用到咱們以前重寫的那些方法的。也就是說，咱們只須要很小的工做量就能夠實現本身的同步組件，重寫的那些方法，僅僅是一些簡單的對於共享資源state的獲取和釋放操做，至於像是獲取資源失敗，線程須要阻塞之類的操做，天然是AQS幫咱們完成了。

　　設計思想

　　對於使用者來說，咱們無需關心獲取資源失敗，線程排隊，線程阻塞/喚醒等一系列複雜的實現，這些都在AQS中爲咱們處理好了。咱們只須要負責好本身的那個環節就好，也就是獲取/釋放共享資源state的姿式T_T。很經典的模板方法設計模式的應用，AQS爲咱們定義好頂級邏輯的骨架，並提取出公用的線程入隊列/出隊列，阻塞/喚醒等一系列複雜邏輯的實現，將部分簡單的可由使用者決定的操做邏輯延遲到子類中去實現便可。

AQS的核心思想是基於volatile int state這樣的一個屬性同時配合Unsafe工具對其原子性的操做來實現對當前鎖的狀態進行修改。

AQS的源碼的主要點在於node節點、共享式 獨佔式  阻塞隊列，cas

源碼分析

咱們先來簡單描述下AQS的基本實現，前面咱們提到過，AQS維護一個共享資源state，經過內置的FIFO來完成獲取資源線程的排隊工做。（這個內置的同步隊列稱爲"CLH"隊列）。該隊列由一個一個的Node結點組成，每一個Node結點維護一個prev引用和next引用，分別指向本身的前驅和後繼結點。AQS維護兩個指針，分別指向隊列頭部head和尾部tail。

　　其實就是個雙端雙向鏈表。

　　當線程獲取資源失敗（好比tryAcquire時試圖設置state狀態失敗），會被構形成一個結點加入CLH隊列中，同時當前線程會被阻塞在隊列中（經過LockSupport.park實現，實際上是等待態）。當持有同步狀態的線程釋放同步狀態時，會喚醒後繼結點，而後此結點線程繼續加入到對同步狀態的爭奪中。

 

ps：此處能夠參考
（轉）分佈式系統互斥性與冪等性問題的分析與解決

Node結點

 

　　Node結點是AbstractQueuedSynchronizer中的一個靜態內部類，咱們撿Node的幾個重要屬性來講一下

static final class Node {
        /** waitStatus值，表示線程已被取消（等待超時或者被中斷）*/
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus值，表示後繼線程須要被喚醒（unpaking）*/
        static final int SIGNAL    = -1;
        /**waitStatus值，表示結點線程等待在condition上，當被signal後，會從等待隊列轉移到同步到隊列中 */
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
       /** waitStatus值，表示下一次共享式同步狀態會被無條件地傳播下去
        static final int PROPAGATE = -3;
        /** 等待狀態，初始爲0 */
        volatile int waitStatus;
        /**當前結點的前驅結點 */
        volatile Node prev;
        /** 當前結點的後繼結點 */
        volatile Node next;
        /** 與當前結點關聯的排隊中的線程 */
        volatile Thread thread;
        /** ...... */
    }

ps：static final 和volatile變量

獨佔式

獲取同步狀態--acquire()

至此，關於acquire的方法源碼已經分析完畢，咱們來簡單總結下

　　　　a.首先tryAcquire獲取同步狀態，成功則直接返回；不然，進入下一環節；

　　　　b.線程獲取同步狀態失敗，就構造一個結點，加入同步隊列中，這個過程要保證線程安全；

　　　　c.加入隊列中的結點線程進入自旋狀態，如果老二結點（即前驅結點爲頭結點），纔有機會嘗試去獲取同步狀態；不然，當其前驅結點的狀態爲SIGNAL，線程即可安心休息，進入阻塞狀態，直到被中斷或者被前驅結點喚醒。

ps：多個線程都經過【CAS+死循環】這個free-lock黃金搭檔來對隊列進行修改，每次可以保證只有一個成功，若是失敗下次重試，若是是N個線程，那麼每一個線程最多loop N次，最終都能夠成功。

釋放同步狀態--release()

　　當前線程執行完本身的邏輯以後，須要釋放同步狀態，來看看release方法的邏輯

release的同步狀態相對簡單，須要找到頭結點的後繼結點進行喚醒，若後繼結點爲空或處於CANCEL狀態，從後向前遍歷找尋一個正常的結點，喚醒其對應線程。

共享式

共享式：共享式地獲取同步狀態。對於獨佔式同步組件來說，同一時刻只有一個線程能獲取到同步狀態，其餘線程都得去排隊等待，其待重寫的嘗試獲取同步狀態的方法tryAcquire返回值爲boolean，這很容易理解；對於共享式同步組件來說，同一時刻能夠有多個線程同時獲取到同步狀態，這也是「共享」的意義所在。其待重寫的嘗試獲取同步狀態的方法tryAcquireShared返回值爲int。

ps：共享式和獨佔市的區別。共享式tryAcquire返回boolean，tryAcquireShared返回int，分一下集中

protected int tryAcquireShared(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

　1.當返回值大於0時，表示獲取同步狀態成功，同時還有剩餘同步狀態可供其餘線程獲取；

　　2.當返回值等於0時，表示獲取同步狀態成功，但沒有可用同步狀態了；

　　3.當返回值小於0時，表示獲取同步狀態失敗。

　　獲取同步狀態--acquireShared　　

代碼邏輯比較容易理解，須要注意的是，共享模式，釋放同步狀態也是多線程的，此處採用了CAS自旋來保證。

總結

關於AQS的介紹及源碼分析到此爲止了。

　　AQS是JUC中不少同步組件的構建基礎，簡單來說，它內部實現主要是狀態變量state和一個FIFO隊列來完成，同步隊列的頭結點是當前獲取到同步狀態的結點，獲取同步狀態state失敗的線程，會被構形成一個結點（或共享式或獨佔式）加入到同步隊列尾部（採用自旋CAS來保證此操做的線程安全），隨後線程會阻塞；釋放時喚醒頭結點的後繼結點，使其加入對同步狀態的爭奪中。

　　AQS爲咱們定義好了頂層的處理實現邏輯，咱們在使用AQS構建符合咱們需求的同步組件時，只需重寫tryAcquire，tryAcquireShared，tryRelease，tryReleaseShared幾個方法，來決定同步狀態的釋放和獲取便可，至於背後複雜的線程排隊，線程阻塞/喚醒，如何保證線程安全，都由AQS爲咱們完成了，這也是很是典型的模板方法的應用。AQS定義好頂級邏輯的骨架，並提取出公用的線程入隊列/出隊列，阻塞/喚醒等一系列複雜邏輯的實現，將部分簡單的可由使用者決定的操做邏輯延遲到子類中去實現。