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Java抽象同步队列AQS原理浅析

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AbstractQueuedSynchronizer 抽象同步队列简称 AQS ，它是实现同步器的基础组件，并发包中锁的底层就是使用AQS实现的。AQS是一个 FIFO的双向队列 ，其内部通过节点 head 和 tail 记录队首和队尾元素，队列元素类型为 Node 。AQS采用 模板方法模式 ，父类抽象出通用模板， 将方法延迟到子类加载 。

独占方式

acquire(int arg)

当一个线程调用 acquire(int arg) 获取独占资源时，会首先使用 tryAcquire 方法尝试获取资源，具体是设置 state 值，成功则直接返回，失败则将当前线程封装为类型为 Note.EXCLUSIVE的Node 节点后插入到AQS阻塞队列的尾部，并调用 LockSupport.park(this) 方法挂起自己。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}
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release(int arg)

当一个线程 release(int arg) 方法时会尝试使用 tryRelease 操作释放资源，这里是设置状态变量 state 的值，然后调用 LockSupport.unpark(thread) 方法激活AQS队列里面被阻塞的一个线程(thread)。被激活的线程则使用 tryAcquire 尝试，看当前状态变量state的值是否能满足自己的需要，满足则该线程被激活，然后继续执行，否则还是会被放入AQS队列并被挂起。

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
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共享方式

acquireShared(int arg)

当线程调用 acquireShared(int arg) 获取共享资源时，会首先使用 tryAcquireShared 尝试获取资源，具体是设置状态变量 state 的值，成功则直接返回，失败则将当前线程封装为类型为 Note.SHARED 的Node节点后插入到AQS阻塞队列的尾部，并使用LockSupport.park(this)方法挂起自己。

public final void acquireShared(int arg) {
   if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}
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releaseShared(int arg)

当一个线程调用 releaseShared(int arg) 时会尝试使用 tryReleaseShared 操作释放资源，这里是设置状态变量 state 的值，然后使用 LockSupport.unpark(thread) 激活AQS队列里面被阻塞的一个线程(thread)。被激活的线程则使用tryReleaseShare查看当前状态变量state的值是否能满足自己的需要，满足则该线程被激活，然后继续向下执行，否则还是会被放入AQS队列并被挂起。

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
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入队操作

入队时会先判断，是否 需要初始化 ，如果队尾指针指向null，则进行初始化，创建哨兵节点，首尾都指向哨兵节点。如果已经存在了，则将node的前置节点指向t，然后tail节点指向新node元素，前尾结点t的后置节点指向node，最后返回。

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}
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条件变量的支持

notify 和 wait 是配合 synchronized 内置锁实现线程间同步的基础设施一样，条件变量的 signal 和 await 方法也是用来配合锁（使用AQS实现的锁）实现线程间同步的基础设施。如我们经常用到的 LinkedBlockingQueue ，采用了 ReentrantLock 和条件队列，当进行写入的时候如果队列没有满，则唤醒在 notFull条件队列 中等待的线程继续写入；当进行取出的时候如果队列中任有数据可以消费，则唤醒 notEmpty条件队列 中等待的线程继续消费。

/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
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当线程调用条件变量 await() 方法时（必须先调用 lock() 方法获取锁），在内部会构造一个类型为 Node.CONDITION 的 node 节点，然后将该节点插入条件队列末尾，之后当前线程会释放获取的锁（也就是会操作锁对应的state变量的值），并被阻塞挂起。

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
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总结

AQS 是并发包下锁的最底层实现，典型的 ReentrantLock 、 ReentrantReadWriteLock 以及 CountDownLatch 、 CyclicBarrier 等，都是基于AQS实现的， AQS 核心主要包括 state 、同步队列以及 模板方法模式 对操作队列的算法进行了封装，留下了独占/共享锁的获取/释放由子类去实现，基本思路是子类通过state来完成获取/释放锁的操作。以前觉得并发、锁这些东西很深奥，不可理解，AQS离我也很遥远，但是有幸学习了AQS之后再反观锁的源码，醍醐灌顶，因为写blog文笔较烂，偏向于源码，所以有什么不清楚的可以评论一起讨论学习。关于并发包下的 Lock和synchronized的区别 后面专门梳理一篇blog进行分析和讲解。

原文 https://juejin.im/post/5effeeec6fb9a07e976bd560

正文到此结束