AbstractQueuedSynchronizer之AQS

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）

概述

AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）是Java中锁和同步器的基础框架，大多数的锁和同步器都是通过继承AQS来实现的。AQS提供了一个灵活的框架，使得开发者可以根据自己的需求来实现各种锁和同步器。本文将介绍AQS的基本原理和实现细节。

基本原理

AQS维护了一个state（状态）属性和一个等待队列。state用来表示同步状态，当state为0时表示锁没有被占用，当state不为0时表示锁已经被占用，state的含义和具体使用方法是由子类定义的。等待队列则用来存储那些请求锁或者同步器的线程。

当一个线程请求锁或同步器时，如果此时state为0，则表示当前线程可以获得锁或同步器，此时会将state设置为1，表示当前锁或同步器已经被占用了。如果此时state不为0，则表示此时锁或同步器正在被其他线程占用，此时当前线程会被加入到等待队列中，等待其他线程释放锁或同步器。

当其他线程释放了锁或同步器时，会唤醒等待队列中的一个线程，使其重新尝试获取锁或同步器。如果此时该线程又成功获取了锁或同步器，则该线程会从等待队列中移除。

实现细节

等待队列

AQS的等待队列是一个双向链表，每个节点表示一个等待线程（或者称为Node），Node继承自AbstractQueuedSynchronizer。下面是Node的定义：

static final class Node {
    // 共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    // waitStatus的值表示当前节点需要等待的状态
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    Node nextWaiter;
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
    Node() {
    }
    Node(Thread thread, Node mode) {     // Used by addWaiter
        this.nextWaiter = mode;
        this.thread = thread;
    }
    Node(Thread thread, int waitStatus) { // Used by Condition
        this.waitStatus = waitStatus;
        this.thread = thread;
    }
}

Node节点有以下属性：

• waitStatus：表示节点的状态，可以是以下值：

• CANCELLED：表示节点已经取消。
• SIGNAL：表示在释放同步器或者锁时需要唤醒该节点。
• CONDITION：表示节点在等待Condition时被阻塞。
• PROPAGATE：表示共享模式下下一个节点需要唤醒。

• prev：表示当前节点的前一个节点。
  
• next：表示当前节点的后一个节点。
  
• thread：表示当前节点所对应的线程。
  
• nextWaiter：表示下一个等待节点。
  

等待队列的头节点是一个哑节点，不表示任何一个等待线程。当等待队列不为空时，队首节点表示正在占用同步器或者锁的线程，队列中剩下的节点表示正在等待获取同步器或者锁的线程。

等待队列的操作主要有以下几个：

• enq(node)：将一个节点加入等待队列的尾部。
  
• addWaiter(mode)：创建一个新的节点并加入到等待队列的尾部。mode表示该节点的模式，可以是独占模式或共享模式。
  
• setHead(node)：设置等待队列的头节点。
  
• unparkSuccessor(node)：唤醒等待队列中最近的一个还未被取消的节点。在独占模式下，需要唤醒的节点是当前节点的后继节点；在共享模式下，需要唤醒的节点是等待队列中第一个未被取消的节点。
  

state属性

在AbstractQueuedSynchronizer中，state属性是一个volatile类型的整数，用来表示同步状态。子类可以通过修改state的值来实现自己的同步机制。

当state为0时表示同步器或锁没有被占用，当state不为0时表示同步器或锁已经被占用。在独占模式下，state的值为1表示锁已经被占用，在共享模式下，state的值表示正在使用锁的线程数。

state的主要操作有以下几个：

• getState()：获取当前状态的值。
  
• setState(newState)：设置当前状态的值。
  
• compareAndSetState(expect, update)：原子性地将当前状态和expect比较，如果相等则将其设置为update，并返回true，否则返回false。
  

独占模式

AbstractQueuedSynchronizer中的独占模式是最常用的同步机制之一，代表了Java中的锁。

我们来看一下ReentrantLock是如何实现独占模式的。

ReentrantLock

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，它支持公平锁和非公平锁。ReentrantLock继承自AbstractQueuedSynchronizer，在ReentrantLock的构造方法中会调用AbstractQueuedSynchronizer的构造方法来初始化state属性和等待队列。