juc之AQS

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介绍

  AbstractQuenedSynchronizer抽象的队列式同步器。是除了java自带的synchronized关键字之外的锁机制。
  AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch…。

原理

  AQS的核心思想，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并将共享资源设置为锁定状态，如果请求的资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
  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，仅存在节点之间的关联关系。
AQS是将每一条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node），来实现锁的分配。
  Node结点是对每一个等待获取资源的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身及其等待状态，如是否被阻塞、是否等待唤醒、是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前Node结点的等待状态，共有5种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

  用大白话来说，AQS就是基于CLH队列，用volatile修饰共享变量state，线程通过CAS去改变状态符，成功则获取锁成功，失败则进入等待队列，等待被唤醒。

AQS原理

  实现了AQS的锁有：自旋锁、互斥锁、读锁写锁、条件产量、信号量、栅栏（Latch）都是AQS的衍生物。

两种资源共享方式

  AQS定义了两种资源共享方式：

  1. Exclusive：独占方式，只有一个线程能执行，如ReentrantLock。
  2. Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier。

  AQS底层使用了模板方法模式，如果需要自定义同步器一般的方式是这样：

  1. 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。
  2. 将AQS组合在自定义同步组件的实现中，并调用其模板方法，而这些模板方法会调用使用者重写的方法。如CountDownLatch中的Sync，在CountDownLatch中使用共有的Sync即可。

  自定义同步器在实现的时候只需要实现共享资源state的获取和释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，AQS已经在顶层实现好了（AbstractQueuedSynchronizer中已经实现了）。自定义同步器实现的时候主要实现下面几种方法：

  • 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。

  一般来说，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。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

NODE节点

  Node结点是对每一个等待获取资源的线程的封装，其包含了需要同步的线程本身及其等待状态，如是否被阻塞、是否等待唤醒、是否已经被取消等。变量waitStatus则表示当前Node结点的等待状态，共有5种取值CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE、0。

  • CANCELLED(1)： 表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断（响应中断的情况下），会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。
  • SIGNAL(-1)： 表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。
  • CONDITION(-2)： 表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。
  • PROPAGATE(-3)： 共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。
  • 0： 新结点入队时的默认状态。

  负值表示结点处于有效等待状态，而正值表示结点已被取消。所以源码中很多地方用>0、<0来判断结点的状态是否正常。

参考文献 & 鸣谢

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