详解JDK锁02：AQS

1. AQS简述

这一部分，我将从是什么、干什么、怎么用三个角度简单讲述一下AQS

1.1 是什么？

AQS全称为AbstractQueuedSynchronizer，中文名称为队列同步器。

拆分一下中文就可知，一定离不开 队列 与 同步 这两个概念，下面进一步讲解其作用。

1.2 干什么？

AQS是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架。

学Java并发的话就重点关住于AQS是如何构建锁的，因为同步器是实现锁的关键！

0. AQS用一个 int 成员变量来表示同步状态。通过修改同步状态，以此达到获取锁与释放锁的目的。
   比如说一个线程获取到了锁，那么就相当于它此时获取到了同步状态。
   一个线程执行完了它的任务，它去释放锁，就相当于释放同步状态。
   
1. AQS通过内置的 FIFO队列 完成线程的排队工作。这一点其实并不难理解。当一个线程获取锁失败之后，可以选择陷入阻塞状态，也可以进行非阻塞地自旋重试；当有多个线程独占式地去获取锁时，只有一个线程可以获取成功，其它均会失败。那么应当如何管理这些竞争失败的锁呢？这便是队列的作用。

• 线程获取锁失败时，便进行入队列操作，成为队列的尾结点，进入等待状态

1.3 怎么用？

AQS的实现方式是继承：子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态。

AQS支持独占式地获取同步状态与共享式地获取同步状态

其实AQS的精髓就在于它简化了锁的实现方式，我们不需要关心同步状态管理、线程排队、等待与唤醒等底层操作逻辑，我们只需要将精力放在锁的核心功能：加锁与解锁。

可以这样理解：

• 锁是面向使用者的，它定义了使用者与锁交互的接口，隐藏了实现细节
• AQS是面向锁的实现者，它定义了锁的实现者与同步器交互的接口，隐藏了实现细节

之后会写一个实战案例去用AQS实现一个锁。

2. AQS方法简述

下面三个方法是用于管理同步状态

0. getState()：用于获取同步状态
1. setState(int newState)：用于设置同步状态
2. compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS设置同步状态，保证原子性

之前第一部分提到：AQS已经帮我们实现了队列的维护逻辑，我们实现锁时只需要重写获取锁的方法

0. tryAcquire(int arg)：独占式地获取同步状态，返回值为布尔类型，true为获取成功，false为获取失败。
   
1. tryRelease(int arg)：独占式地释放同步状态，返回值为布尔类型，true为释放成功，false为释放失败。
   
2. tryAcquireShared(int arg)：共享式地获取同步状态，返回值为int类型。

• 返回0表示成功，且没有剩余资源
• 返回大于0的值表示成功，仍有剩余资源
• 返回负数代表获取失败

4. tryReleaseShared(int arg)：共享式地释放同步状态，返回值为布尔类型。

• 如果释放后允许唤醒后续等待节点时，返回true；否则返回false

5. isHeldExclusively()：当前同步器是否被线程独占
   

通过对于这些方法进行简单理解，便能初步体会到：

• 当同步状态state为0时，其他线程才有可能获取到同步状态，即获取到锁。
• 对于可重入锁，当线程独占锁之后，会将同步状态state进行自增。如果该线程一直重复地获取该锁，则state会一直累加；该线程去释放该锁时，必须将state自减到0，才算是完全释放成功。

3. AQS实战案例

通过使用AQS，简单地实现一个独占不可重入锁，也就是说该锁的state只有0与1两种状态。

重点关注继承自AQS的Sync内部类，这里面自定义了获取同步状态与释放同步状态的核心逻辑。

这个案例印证了这句话：AQS是面向锁的实现者，它定义了锁的实现者与同步器交互的接口，隐藏了实现细节

class ExclusiveLock implements Lock {
​
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            // 当通过CAS设置state为1时，代表加锁成功
            if (compareAndSetState(0 ,1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
​
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            // 释放锁时如果发现该锁已被释放，说明有异常
            if (getState() == 0) throw new IllegalArgumentException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
​
        // 当state==1时表示处于占用状态
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
​
        public Condition newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }
    }
​
    private final Sync sync = new Sync();
​
    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
​
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }
​
    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }
​
    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }
​
    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
​
    @Override
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
}