【Java基础】AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 抽象队列同步器-Toy模板网

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一、导读

我们继续总结学习Java基础知识，温故知新。

1.1 CLH锁

CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks)是一种自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。
CLH锁是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。
【Java基础】AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 抽象队列同步器,java,开发语言

二、概览

AbstractQueuedSynchronizer 是抽象队列同步器，是一种用来构建锁和同步器的框架。

AQS主要做了三件事情

同步状态的管理
线程的阻塞和唤醒
同步队列的维护

AQS 定义了同步器的基本操作，如获取、释放和状态管理，并提供了一个等待队列来管理等待资源的线程，解决了在实现同步器时涉及的大量细节问题，例如自定义标准同步状态、FIFO 同步队列。

基于 AQS 来构建同步器可以带来很多好处。它不仅能够极大地减少实现工作，而且也不必处理在多个位置上发生的竞争问题。

三、使用场景

AQS 是一个相对底层的同步器框架，对于一些常见的同步需求，Java 并发库已经提供了许多高级封装，如 ReentrantLock、ReadWriteLock、Semaphore 等，这些高级封装已经为我们提供了更简单易用的接口和功能。因此，在应用开发中，直接使用 AQS 的场景相对较少，更多的是通过使用它的子类来实现具体的同步机制。

常用的同步器有：

独占锁（如 ReentrantLock）：AQS 提供了 acquire(int arg) 和 release(int arg) 等方法，开发人员可以继承 AQS 并实现自定义的同步器来实现独占锁。通过控制同步状态（通过 getState() 和 setState(int newState) 方法），以及管理等待线程（通过等待队列），AQS 可以提供可重入锁、公平锁等不同类型的独占锁。
共享锁（如 ReadWriteLock）：AQS 也可以用于实现共享锁机制，例如 ReentrantReadWriteLock。通过 acquireShared(int arg) 和 releaseShared(int arg) 等方法，开发人员可以自定义实现共享锁的逻辑。AQS 提供了对多个读线程和写线程的管理和协调，以及对读线程的优化。
实现其他同步工具：AQS 的框架还可以用于实现其他类似的同步工具，如信号量（Semaphore）、倒计时器（CountDownLatch）、循环屏障（CyclicBarrier）等。

通过继承 AQS 并自定义同步器的行为，可以实现不同的同步机制。

3.1 AQS 对资源的共享方式

Exclusive(独占)：只有一个线程能执行，如ReentrantLock。

资源锁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（FIFO），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（被唤醒的线程和新来的线程重新竞争锁）。

Share(共享)：多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatCh、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

四、原理

AQS大致流程如下：
1、当某一线程获取锁后，将state值+1，并记录下当前持有锁的线程。
2、再有线程来获取锁时，判断这个线程与持有锁的线程是否是同一个线程，如果是，将state值再+1，如果不是，阻塞线程（调用 LockSupport.park(this)挂起线程）。
3、当线程释放锁时，将state值-1。
4、当state值减为0时，表示当前线程彻底释放了锁。
5、然后将记录当前持有锁的线程的那个字段设置为null，并唤醒其他线程，使其重新竞争锁

4.1 原理

AQS使用一个 Volatile的 int类型的成员 state 变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作（双向链表，多线程争用资源被阻塞时会进入此队列），然后通过CAS完成对State值的修改。

其并发控制的核心是锁的获取与释放，锁的实现方式有很多种，AQS采用的是一种改进的CLH锁。


    当state=0表示释放了锁，当state>0表示获得锁
    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;
    
    
	封装一个Node，包含前节点，后节点，组成一个双向队列。
	private transient volatile Node head;

	private transient volatile Node tail;

【Java基础】AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 抽象队列同步器,java,开发语言

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列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（FIFO同步队列）的一个结点(Node)来实现锁的分配。

如果线程获取当前同步状态失败，AQS会将当前线程的信息封装成一个Node节点，加入同步队列中，并且阻塞该线程，当同步状态释放，则会将队列中的线程唤醒，重新尝试获取同步状态。

我们看下node源码：

static final class Node {
    /** 共享节点 */
    static final Node SHARED = new Node();
    /** 独占节点 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    当前节点在队列中的状态
    volatile int waitStatus;

    前驱指针
    volatile Node prev;

    后继指针
    volatile Node next;

    表示处于该节点的线程
    volatile Thread thread;

    指向下一个处于CONDITION状态的节点
    Node nextWaiter;
}