AQS原理及应用

 To use this class as the basis of a synchronizer, redefine the
 * following methods, as applicable, by inspecting and/or modifying
 * the synchronization state using {@link #getState}, {@link
 * #setState} and/or {@link #compareAndSetState}:
 *
 * <ul>
 * <li> {@link #tryAcquire}
 * <li> {@link #tryRelease}
 * <li> {@link #tryAcquireShared}
 * <li> {@link #tryReleaseShared}
 * <li> {@link #isHeldExclusively}
 * </ul>

上面这段话是AQS源码的一段注解，意思是使用AQS实现一个同步器的话需要覆盖实现上面li标签中的这些方法，并且使用getState、setState、compareAndSetState这几个方法来对状态进行操作。

如果你对JDK源码较为熟悉的话，你会发现AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是并发过程中很常见的一个抽象类，我们常用的CountDownLatch、ReentrantLock、FutureTask（1.8不再使用AQS）、Semaphore等类都是在内部定义了一个叫做Sync的内部类，而Sync类继承了AQS抽象类并重写了一些必要的方法。可重入锁ReentrantLock中，state可以用来表示当前线程获取锁的可重入次数；对于读写锁ReentrantReadWriteLock来说，state的高16位表示获取到的读锁的线程的可重入次数，低16位是写锁；对于Semaphore来说，state用来表示当前可用信号的个数；对于CountDownlatch来说，state用来表示计数器当前的值

 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    ...
    ...
    ...
｝

下面说说AQS到底是用来做什么的：

AQS抽象类的内部是一个final的Node类，类中定义了一个volatile的整形状态量state，通过这个Node类来建立一个FIFO的线程等待队列（多线程抢占资源失败被阻塞时会进入此队列）。

static final class Node {
        /** Marker to indicate a node is waiting in shared mode */
        static final Node SHARED = new Node();
        /** Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode */
        static final Node EXCLUSIVE = null;

        /** waitStatus value to indicate thread has cancelled */
        static final int CANCELLED =  1;
        /** waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking */
        static final int SIGNAL    = -1;
        /** waitStatus value to indicate thread is waiting on condition */
        static final int CONDITION = -2;
        /**
         * waitStatus value to indicate the next acquireShared should
         * unconditionally propagate
         */
        static final int PROPAGATE = -3;
｝

而这个队列中的每个结点对应一个线程，结点内封装了这个线程的基本信息，状态和等待的资源类型等。

     * <p>To enqueue into a CLH lock, you atomically splice it in as new
     * tail. To dequeue, you just set the head field.
     * <pre>
     *      +------+  prev +-----+       +-----+
     * head |      | <---- |     | <---- |     |  tail
     *      +------+       +-----+       +-----+
     * </pre>
     *
     * <p>Insertion into a CLH queue requires only a single atomic
     * operation on "tail", so there is a simple atomic point of
     * demarcation from unqueued to queued. Similarly, dequeuing
     * involves only updating the "head". However, it takes a bit
     * more work for nodes to determine who their successors are,
     * in part to deal with possible cancellation due to timeouts
     * and interrupts.

这里借用网上的一张图来说明这个队列的框架。

AQS定义了两种资源共享的方式，独占和共享，Exclusive和Share，前者常用的是ReentrantLock，后者常用的是前面提到的CountDownLatch、Semaphore等。

继承AQS，实现state标志位的获取、释放方式，即可实现自定义同步器，至于具体的等待队列的维护、阻塞入队、唤醒出队等在AQS中已经实现好了。标志位涉及到的实现函数如下：

• isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

• tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。

• tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

• tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。

• tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

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 自定义同步器

独占锁以ReentrantLock为例，state初始值为0，表示未锁状态，当一个线程执行了lock()方法之后，会调用tryAcquire方法独占该锁并将state+1，此后其他线程尝试获取锁时便会失败，进入队列，知道刚才的线程释放锁将state值更改为0时，其他线程才有机会获取这个独占锁。当然，这个锁时可重入的，获得锁的线程可以继续state+1，不过只有state为0的时候其他线程才会唤醒。

共享锁以CountDownLatch为例，初始化线程数为n，及将state初始值设置为n，表示可以有n个线程同时获取这个共享锁，当有线程执行一countDown()，state就会CAS的方式减少1，知道所有线程执行完，state值为0的时候，会unpark主线程，然后主线程会从await状态被唤醒返回，继续执行其他指令。

一般情况自定义同步器要么是独占方法，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。需要说明的是AQS也支持同时实现独占同步和共享同步，比如ReentrantReadWriteLock。

通常，如果一个线程没有拿到锁，便会被封装成结点加入队尾，检查状态之后会调用park方法进入waiting状态，等待unpark方法或interrupt方法唤醒自己，当它被唤醒之后会检查自己是否有资格拿到锁，如果成功，head会指向当前节点，并检查是否被中断过；否则会继续等待。

AQS是支持中断的，比如acquireInterruptibly方法和acquireSharedInterruptibly方法。下面将书上看到的互斥锁Mutex源码贴在下面供大家研究，它不支持重入，只有0（未锁定）和1（锁定）两种状态：

class Mutex implements Lock, java.io.Serializable {
    // 自定义同步器
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 判断是否锁定状态
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // 尝试获取资源，立即返回。成功则返回true，否则false。
        public boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1; // 这里限定只能为1个量
            if (compareAndSetState(0, 1)) {//state为0才设置为1，不可重入！
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());//设置为当前线程独占资源
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 尝试释放资源，立即返回。成功则为true，否则false。
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1; // 限定为1个量
            if (getState() == 0)//既然来释放，那肯定就是已占有状态了。只是为了保险，多层判断！
                throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);//释放资源，放弃占有状态
            return true;
        }
    }

    // 真正同步类的实现都依赖继承于AQS的自定义同步器！
    private final Sync sync = new Sync();

    //lock<-->acquire。两者语义一样：获取资源，即便等待，直到成功才返回。
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    //tryLock<-->tryAcquire。两者语义一样：尝试获取资源，要求立即返回。成功则为true，失败则为false。
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    //unlock<-->release。两者语文一样：释放资源。
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    //锁是否占有状态
    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
}