AQS

隊列同步器（AbstractQueuedSynchronizer）簡稱AQS,是J.U.C同步構件的基礎，包括ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphor都是基于AQS實現的。
理解AQS是理解這些同步工具的基礎，基于AQS提供的同步語義可以定制各種功能的同步工具。

AQS原理

• 用一個int類型的狀態變量(volatile)state記錄同步狀態，默認值是0
  用一個雙向鏈表實現的隊列對線程進行排隊和調度

• A線程使用compareAndSet(state,0,1)原子設置state的值，設置成功說明state當前無其他線程爭用，A線程取鎖的使用權。

• 設置不成功，說明B線程對state的值進行了設置，并且沒有復位(state!=0)，B線程持有鎖的使用權(B線程還沒有釋放鎖)。A線程會構造成一個Node節點加入隊列尾部并掛起。

• 當B線程執行完同步操作后，對state進行復位(state==0)，即釋放鎖，然后從隊列頭開始尋找，發現正在沉睡的A線程，將其喚醒。

AQS同步隊列

static final class Node {/**共享模式 */static final Node SHARED = new Node();/**獨占模式 */static final Node EXCLUSIVE = null;/**取消狀態，由于在同步隊列中等待的線程等待超時或被中斷，* 需要從同步隊列中取消等待。 */static final int CANCELLED = 1;/**通知狀態，當前節點的后繼節點包含的線程需要運行(unpark)* 當前節點的線程如果釋放了同步狀態或者被取消，將通知后續節點。*/static final int SIGNAL = -1;/**條件阻塞狀態，節點線程等待在Condition上，* 當其他線程對Condition調用了signal()方法后，* 該節點將會從等待隊列中轉移到同步隊列中，* 加入到對同步狀態的獲取中。 */static final int CONDITION = -2;/**傳播狀態，表示當前場景下后續的acquireShared能夠得以執行。*/static final int PROPAGATE = -3;/**節點的的狀態 * 初始狀態為0 表示當前節點在sync隊列中，等待著獲取狀態。*/volatile int waitStatus;/** 前驅節點 */volatile Node prev;/** 后繼節點 */volatile Node next;/**節點對應的線程，等待獲取同步狀態的線程。 */volatile Thread thread;/**下一等待節點*/Node nextWaiter;/**是否共享模式 */final boolean isShared() {return nextWaiter == SHARED;}/**獲取前驅節點 */final Node predecessor() throws NullPointerException {}Node() {}Node(Thread thread, Node mode) {}Node(Thread thread, int waitStatus) {} }

AQS基于一個FIFO雙向隊列實現，被設計給那些依賴一個代表狀態的原子int值的同步器使用。我們都知道，既然叫同步器，那個肯定有個代表同步狀態（臨界資源）的東西，在AQS中即為一個叫state的int值，該值通過CAS進行原子修改。

在AQS中存在一個FIFO隊列，隊列中的節點表示被阻塞的線程，隊列節點元素有4種類型， 每種類型表示線程被阻塞的原因，這四種類型分別是：

• CANCELLED : 表示該線程是因為超時或者中斷原因而被放到隊列中
• CONDITION : 表示該線程是因為某個條件不滿足而被放到隊列中，需要等待一個條件，直到條件成立后才會出隊
• SIGNAL : 表示該線程需要被喚醒
• PROPAGATE ： 表示在共享模式下，當前節點執行釋放release操作后，當前結點需要傳播通知給后面所有節點

由于一個共享資源同一時間只能由一條線程持有，也可以被多個線程持有，因此AQS中存在兩種模式，如下：

• 1、獨占模式

  獨占模式表示共享狀態值state每次能由一條線程持有，其他線程如果需要獲取，則需要阻塞,如JUC中的ReentrantLock

• 2、共享模式

  共享模式表示共享狀態值state每次可以由多個線程持有，如JUC中的CountDownLatch

AQS中的共享狀態值

之前提到，AQS是基于一個共享的int類型的state值來實現同步器同步的，其聲明如下：

/*** 同步狀態值*/ private volatile int state;/*** 獲取同步狀態值*/ protected final int getState() {return state; }/*** 修改同步狀態值*/ protected final void setState(int newState) {state = newState; }

由源碼我們可以看出，AQS聲明了一個int類型的state值，為了達到多線程同步的功能，必然對該值的修改必須多線程可見，因此，state采用volatile修飾，而且getState()和setState()方法采用final進行修飾，目的是限制AQS的子類只能調用這兩個方法對state的值進行設置和獲取，而不能對其進行重寫自定義設置/獲取邏輯。

AQS中提供對state值修改的方法不僅僅只有setState()和getState()，還有諸如采用CAS機制進行設置的compareAndSetState()方法，同樣，該方法也是采用final修飾的，不允許子類重寫，只能調用。

AQS中的tryXXX方法

一般基于AQS實現的同步器，如ReentrantLock,CountDownLatch等，對于state的獲取操作，子類只需重寫其tryAcquire()和tryAcquireShared()方法即可，這兩個方法分別對應獨占模式和共享模式下對state的獲取操作；而對于釋放操作，子類只需重寫tryRelease()和tryReleaseShared()方法即可。

至于如何維護隊列的出隊、入隊操作，子類不用管，AQS已經幫你做好了。

AQS 設計妙處

CAS自旋鎖

當我們執行一個有確定結果的操作，同時又需要并發正確執行，通常可以采用自旋鎖實現。在AQS中，自旋鎖采用 死循環 + CAS 實現。針對AQS中的enq()進行講解：

private Node enq(final Node node) {// 死循環 + CAS ，解決入隊并發問題/*** 假設有三個線程同時都需要入隊操作，那么使用死循環和CAS可保證并發安全，同一時間只有一個節點安全入隊，入隊失敗的線程則循環重試* * 1、如果不要死循環可以嗎？只用CAS.* 不可以，因為如果其他線程修改了tail的值，導致1處代碼返回false，那么方法enq方法將退出，導致該入隊的節點卻沒能入隊* * 2、如果只用死循環，不需要CAS可以嗎？* 不可以，首先不需要使用CAS,那就沒必要再使用死循環了，再者，如果不使用CAS，那么當執行1處代碼時，將會改變隊列的結構*/for (;;) {// 獲取尾部節點Node t = tail;// 如果還沒有初始化，那么就初始化if (t == null) { // Must initializeif (compareAndSetHead(new Node()))// 剛開始肯定是頭指針和尾指針相等tail = head;} else {// 當前結點的前驅節點等于尾部節點node.prev = t;// 如果當前尾結點仍然是t,那么執行入隊并返回true，否則返回false,然后重試if (compareAndSetTail(t, node)) { // 1t.next = node;return t;}}} }

首先入隊操作要求的最終結果必須是一個節點插入到隊列中去，只能成功，不能失敗！然而這個入隊的操作是需要并發執行的，有可能同時有很多的線程需要執行入隊操作，因此我們需要采取相關的線程同步機制。自旋鎖采取樂觀策略，即使用了CAS中的compareAndSet()操作，如果某次執行返回fasle,那么當前操作必須重試，因此，采用for死循環直到成功為止，成功，則break跳出for循環或者直接return操作退出方法。

模板方法

在AQS中，模板方法設計模式體現在其acquire()、release()方法上，我們先來看下源碼：

public final void acquire(int arg) {// 首先嘗試獲取共享狀態，如果獲取成功，則tryAcquire()返回trueif (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();}

其中調用tryAcquire()方法的默認實現是拋出一個異常，也就是說tryAcquire()方法留給子類去實現，acquire()方法定義了一個模板，一套處理邏輯，相關具體執行方法留給子類去實現。

自定義AQS并發同步器

下邊以JDK文檔的一個實例進行介紹：

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {// 自定義同步器private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 判斷是否鎖定狀態protected boolean isHeldExclusively() {return getState() == 1;}// 嘗試獲取資源，立即返回。成功則返回true，否則false。public boolean tryAcquire(int acquires) {assert acquires == 1; // 這里限定只能為1個量if (compareAndSetState(0, 1)) {//state為0才設置為1，不可重入！setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//設置為當前線程獨占資源return true;}return false;}// 嘗試釋放資源，立即返回。成功則為true，否則false。protected boolean tryRelease(int releases) {assert releases == 1; // 限定為1個量if (getState() == 0)//既然來釋放，那肯定就是已占有狀態了。只是為了保險，多層判斷！throw new IllegalMonitorStateException();setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);//釋放資源，放棄占有狀態return true;}}// 真正同步類的實現都依賴繼承于AQS的自定義同步器！private final Sync sync = new Sync();//lock<-->acquire。兩者語義一樣：獲取資源，即便等待，直到成功才返回。public void lock() {sync.acquire(1);}//tryLock<-->tryAcquire。兩者語義一樣：嘗試獲取資源，要求立即返回。成功則為true，失敗則為false。public boolean tryLock() {return sync.tryAcquire(1);}//unlock<-->release。兩者語文一樣：釋放資源。public void unlock() {sync.release(1);}//鎖是否占有狀態public boolean isLocked() {return sync.isHeldExclusively();} }

實現自己的同步類一般都會自定義同步器（sync），并且將該類定義為內部類，供自己使用；而同步類自己（Mutex）則實現某個接口，對外服務。當然，接口的實現要直接依賴sync，它們在語義上也存在某種對應關系！！而sync只用實現資源state的獲取-釋放方式tryAcquire-tryRelelase，至于線程的排隊、等待、喚醒等，上層的AQS都已經實現好了，我們不用關心。

除了Mutex，ReentrantLock/CountDownLatch/Semphore這些同步類的實現方式都差不多，不同的地方就在獲取-釋放資源的方式tryAcquire-tryRelelase。掌握了這點，AQS的核心便被攻破了！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的AQS实现原理分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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