AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简写，中文名应该叫抽象队列同步器（我给的名字，哈哈），出生于Java 1.5。

一、什么是同步器

多线程并发的执行，之间通过某种共享状态来同步，只有当状态满足 xxxx 条件，才能触发线程执行 xxxx 。

这个共同的语义可以称之为同步器。可以认为以上所有的锁机制都可以基于同步器定制来实现的。

而juc(java.util.concurrent)里的思想是将这些场景抽象出来的语义通过统一的同步框架来支持。

juc 里所有的这些锁机制都是基于 AQS （ AbstractQueuedSynchronizer ）框架上构建的。下面简单介绍下 AQS（ AbstractQueuedSynchronizer ）。可以参考Doug Lea的论文The java.util.concurrent Synchronizer Framework
我们来看下java.util.concurrent.locks大致结构

img_3c95bf2c071b255bfc61b6033720931e.jpe

上图中，LOCK的实现类其实都是构建在AbstractQueuedSynchronizer上，为何图中没有用UML线表示呢，这是每个Lock实现类都持有自己内部类Sync的实例，而这个Sync就是继承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。为何要实现不同的Sync呢？这和每种Lock用途相关。另外还有AQS的State机制。下文会举例说明不同同步器内的Sync与state实现。

二、AQS框架如何构建同步器

1、同步器的基本功能

一个同步器至少需要包含两个功能：

获取同步状态
如果允许，则获取锁，如果不允许就阻塞线程，直到同步状态允许获取。
释放同步状态
修改同步状态，并且唤醒等待线程。

aqs 同步机制同时考虑了如下需求：

独占锁和共享锁两种机制。
线程阻塞后，如果需要取消，需要支持中断。
线程阻塞后，如果有超时要求，应该支持超时后中断的机制。

2、同步状态的获取与释放

AQS实现了一个同步器的基本结构，下面以独占锁与共享锁分开讨论，来说明AQS怎样实现获取、释放同步状态。

2.1、独占模式

独占获取： tryAcquire 本身不会阻塞线程，如果返回 true 成功就继续，如果返回 false 那么就阻塞线程并加入阻塞队列。

public final void acquire(int arg) {  
  
        if (!tryAcquire(arg) &&  
  
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))//获取失败，则加入等待队列  
  
            selfInterrupt();  
  
}

独占且可中断模式获取：支持中断取消

public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {  
  
        if (Thread.interrupted())  
            throw new InterruptedException();  
        if (!tryAcquire(arg))  
  
            doAcquireInterruptibly(arg);  
  
    }

独占且支持超时模式获取：带有超时时间，如果经过超时时间则会退出。

public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {  
  
     if (Thread.interrupted())  
  
         throw new InterruptedException();  
  
     return tryAcquire(arg) ||  
  
         doAcquireNanos(arg, nanosTimeout);

独占模式释放：释放成功会唤醒后续节点

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

2.2、共享模式

共享模式获取

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

可中断模式共享获取

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {  
        if (Thread.interrupted())  
            throw new InterruptedException();  
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)  
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);  
    }

共享模式带定时获取

public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {  
     if (Thread.interrupted())  
         throw new InterruptedException();  
     return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||  
         doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);  
}

共享锁释放


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

注意以上框架只定义了一个同步器的基本结构框架，的基本方法里依赖的 tryAcquire 、 tryRelease 、tryAcquireShared 、 tryReleaseShared 四个方法在 AQS 里没有实现，这四个方法不会涉及线程阻塞，而是由各自不同的使用场景根据情况来定制:

protected boolean tryAcquire(int arg) {  
    throw new UnsupportedOperationException();  
}  
protected boolean tryRelease(int arg) {  
    throw new UnsupportedOperationException();  
}  
protected int tryAcquireShared(int arg) {  
    throw new UnsupportedOperationException();  
  
}  
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {  
    throw new UnsupportedOperationException();  
}

从以上源码可以看出AQS实现基本的功能：

AQS虽然实现了acquire，和release方法是可能阻塞的，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的且是不阻塞的可。以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现。

3、状态获取、释放成功或失败的后续行为：线程的阻塞、唤醒机制

有别于wait和notiry。这里利用 jdk1.5 开始提供的 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的本地方法实现，实现线程的阻塞和唤醒。

得到锁的线程禁用(park)和唤醒(unpark)，也是直接native实现（这几个native方法的实现代码在hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cpp文件中，但是关键代码park的最终实现是和操作系统相关的，比如windows下实现是在os_windows.cpp中，有兴趣的同学可以下载jdk源码查看）。唤醒一个被park()线程主要手段包括以下几种

其他线程调用以被park()线程为参数的unpark(Thread thread).
其他线程中断被park()线程,如waiters.peek().interrupt();waiters为存储线程对象的队列.
不知原因的返回。

park()方法返回并不会报告到底是上诉哪种返回，所以返回好最好检查下线程状态，如

LockSupport.park();  //禁用当前线程
if(Thread.interrupted){
//doSomething
}

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）对于这点实现得相当巧妙，如下所示

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)throwsInterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    try {
         for (;;) {
             final Node p = node.predecessor();
             if (p == head) {
                 int r = tryAcquireShared(arg);
                 if (r >= 0) {
                     setHeadAndPropagate(node, r);
                     p.next = null; // help GC
                     return;
                 }
            }
             //parkAndCheckInterrupt()会返回park住的线程在被unpark后的线程状态，如果线程中断，跳出循环。
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 break;
      }
     } catch (RuntimeException ex) {
          cancelAcquire(node);
          throw ex;
 }
 
     // 只有线程被interrupt后才会走到这里
     cancelAcquire(node);
     throw new InterruptedException();
}
 
//在park()住的线程被unpark()后，第一时间返回当前线程是否被打断
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

4、线程阻塞队列的维护

阻塞线程节点队列 CHL Node queue 。

根据论文里描述， AQS 里将阻塞线程封装到一个内部类 Node 里。并维护一个 CHL Node FIFO 队列。 CHL队列是一个非阻塞的 FIFO 队列，也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。实现无锁且快速的插入。关于非阻塞算法可以参考 Java 理论与实践: 非阻塞算法简介。CHL队列对应代码如下：

 /** 
 * CHL头节点 
 */   
rivate transient volatile Node head;  
/** 
 * CHL尾节点 
 */  
private transient volatile Node tail;

Node节点是对Thread的一个封装，结构大概如下：

tatic final class Node {  
    /** 代表线程已经被取消*/  
    static final int CANCELLED =  1;  
    /** 代表后续节点需要唤醒 */  
    static final int SIGNAL    = -1;  
    /** 代表线程在等待某一条件/ 
    static final int CONDITION = -2; 
    /** 标记是共享模式*/  
    static final Node SHARED = new Node();  
    /** 标记是独占模式*/  
    static final Node EXCLUSIVE = null;  
  
    /** 
     * 状态位 ，分别可以使CANCELLED、SINGNAL、CONDITION、0 
     */  
    volatile int waitStatus;  
  
    /** 
     * 前置节点 
     */  
    volatile Node prev;  
  
    /** 
     * 后续节点 
     */  
    volatile Node next;  
  
    /** 
     * 节点代表的线程 
     */  
    volatile Thread thread;  
  
    /** 
     *连接到等待condition的下一个节点 
     */  
    Node nextWaiter;  
  
}

5、小结

从源码可以看出AQS实现基本的功能：

1.同步器基本范式、结构

2.线程的阻塞、唤醒机制

3.线程阻塞队列的维护

AQS虽然实现了acquire，和release方法，但是里面调用的tryAcquire和tryRelease是由子类来定制的。可以认为同步状态的维护、获取、释放动作是由子类实现的功能，而动作成功与否的后续行为时有AQS框架来实现

还有以下一些私有方法，用于辅助完成以上的功能：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) ：申请队列

private Node enq(final Node node) : 入队

private Node addWaiter(Node mode) ：以mode创建创建节点，并加入到队列

private void unparkSuccessor(Node node) ：唤醒节点的后续节点，如果存在的话。

private void doReleaseShared() ：释放共享锁

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate)：设置头，并且如果是共享模式且propagate大于0，则唤醒后续节点。

private void cancelAcquire(Node node) ：取消正在获取的节点

private static void selfInterrupt() ：自我中断

private final boolean parkAndCheckInterrupt() ： park 并判断线程是否中断

三、AQS在各同步器内的Sync与State实现

1、什么是state机制：

提供 volatile 变量 state; 用于同步线程之间的共享状态。通过 CAS 和 volatile 保证其原子性和可见性。对应源码里的定义：

/** 
 * 同步状态 
 */  
private volatile int state;  
  
/** 
 *cas 
 */  
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {  
    // See below for intrinsics setup to support this  
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);  
}

2、不同实现类的Sync与State：

基于AQS构建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantRead WriteLock,FutureTask等，这些Synchronizer实际上最基本的东西就是原子状态的获取和释放，只是条件不一样而已。

2.1、ReentrantLock

需要记录当前线程获取原子状态的次数，如果次数为零，那么就说明这个线程放弃了锁（也有可能其他线程占据着锁从而需要等待），如果次数大于1，也就是获得了重进入的效果，而其他线程只能被park住，直到这个线程重进入锁次数变成0而释放原子状态。以下为ReetranLock的FairSync的tryAcquire实现代码解析。

//公平获取锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //如果当前重进入数为0,说明有机会取得锁
    if (c == 0) {
        //如果是第一个等待者，并且设置重进入数成功，那么当前线程获得锁
        if (isFirst(current) &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
     }
 }
    //如果当前线程本身就持有锁，那么叠加重进入数，并且继续获得锁
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
 }
     //以上条件都不满足，那么线程进入等待队列。
     return false;
}

2.2、Semaphore

则是要记录当前还有多少次许可可以使用，到0，就需要等待，也就实现并发量的控制，Semaphore一开始设置许可数为1，实际上就是一把互斥锁。以下为Semaphore的FairSync实现

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    for (;;) {
         Thread first = getFirstQueuedThread();
         //如果当前等待队列的第一个线程不是当前线程，那么就返回-1表示当前线程需要等待
         if (first != null && first != current)
              return -1;
         //如果当前队列没有等待者，或者当前线程就是等待队列第一个等待者，那么先取得semaphore还有几个许可证，并且减去当前线程需要的许可证得到剩下的值
         int available = getState();
         int remaining = available - acquires;
         //如果remining<0，那么反馈给AQS当前线程需要等待，如果remaining>0，并且设置availble成功设置成剩余数，那么返回剩余值(>0)，也就告知AQS当前线程拿到许可，可以继续执行。
         if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))
             return remaining;
 }
}

2.3、CountDownLatch

闭锁则要保持其状态，在这个状态到达终止态之前，所有线程都会被park住，闭锁可以设定初始值，这个值的含义就是这个闭锁需要被countDown()几次，因为每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一开始初始值为10的话，那么这个闭锁需要被countDown()十次，才能够将这个初始值减到0，从而释放原子状态，让等待的所有线程通过。

//await时候执行，只查看当前需要countDown数量减为0了，如果为0，说明可以继续执行，否则需要park住，等待countDown次数足够，并且unpark所有等待线程
public int tryAcquireShared(int acquires) {
     return getState() == 0? 1 : -1;
}
 
//countDown 时候执行，如果当前countDown数量为0，说明没有线程await，直接返回false而不需要唤醒park住线程，如果不为0，得到剩下需要 countDown的数量并且compareAndSet,最终返回剩下的countDown数量是否为0,供AQS判定是否释放所有await线程。
public boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
         int c = getState();
         if (c == 0)
             return false;
         int nextc = c-1;
         if (compareAndSetState(c, nextc))
             return nextc == 0;
 }
}

2.4、FutureTask

需要记录任务的执行状态，当调用其实例的get方法时,内部类Sync会去调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，而这个方法会反向调用Sync实现的tryAcquireShared()方法，即让具体实现类决定是否让当前线程继续还是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是检查状态，如果是RUNNING状态那么让当前线程park。而跑任务的线程会在任务结束时调用FutureTask 实例的set方法（与等待线程持相同的实例），设定执行结果，并且通过unpark唤醒正在等待的线程，返回结果。

//get时待用，只检查当前任务是否完成或者被Cancel，如果未完成并且没有被cancel，那么告诉AQS当前线程需要进入等待队列并且park住
protected int tryAcquireShared(int ignore) {
     return innerIsDone()? 1 : -1;
}
 
//判定任务是否完成或者被Cancel
boolean innerIsDone() {
    return ranOrCancelled(getState()) &&    runner == null;
}
 
//get时调用，对于CANCEL与其他异常进行抛错
V innerGet(long nanosTimeout) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    if (!tryAcquireSharedNanos(0,nanosTimeout))
        throw new TimeoutException();
    if (getState() == CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    if (exception != null)
        throw new ExecutionException(exception);
    return result;
}
 
//任务的执行线程执行完毕调用（set(V v)）
void innerSet(V v) {
     for (;;) {
        int s = getState();
        //如果线程任务已经执行完毕，那么直接返回（多线程执行任务？）
        if (s == RAN)
            return;
        //如果被CANCEL了，那么释放等待线程，并且会抛错
        if (s == CANCELLED) {
            releaseShared(0);
            return;
     }
        //如果成功设定任务状态为已完成，那么设定结果，unpark等待线程(调用get()方法而阻塞的线程),以及后续清理工作（一般由FutrueTask的子类实现）
        if (compareAndSetState(s, RAN)) {
            result = v;
            releaseShared(0);
            done();
            return;
     }
 }
}

以上4个AQS的使用是比较典型，然而有个问题就是这些状态存在哪里呢？并且是可以计数的。从以上4个example,我们可以很快得到答案，AQS提供给了子类一个int state属性。并且暴露给子类getState()和setState()两个方法(protected)。这样就为上述状态解决了存储问题，RetrantLock可以将这个state用于存储当前线程的重进入次数，Semaphore可以用这个state存储许可数，CountDownLatch则可以存储需要被countDown的次数，而Future则可以存储当前任务的执行状态(RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer存储他们的一些状态。

AQS留给实现者的方法主要有5个方法，其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三个方法为需要独占形式获取的synchronizer实现的，比如线程独占ReetranLock的Sync，而tryAcquireShared和tryReleasedShared为需要共享形式获取的synchronizer实现。

ReentrantLock内部Sync类实现的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三个方法(因为获取锁的公平性问题，tryAcquire由继承该Sync类的内部类FairSync和NonfairSync实现)Semaphore内部类Sync则实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared(与CountDownLatch相似，因为公平性问题，tryAcquireShared由其内部类FairSync和NonfairSync实现)。CountDownLatch内部类Sync实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask内部类Sync也实现了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

Java并发同步器AQS

一、什么是同步器

二、AQS框架如何构建同步器

1、同步器的基本功能

2、同步状态的获取与释放

2.1、独占模式

2.2、共享模式

3、状态获取、释放成功或失败的后续行为：线程的阻塞、唤醒机制

4、线程阻塞队列的维护

5、小结

三、AQS在各同步器内的Sync与State实现

1、什么是state机制：

2、不同实现类的Sync与State：

2.1、ReentrantLock

2.2、Semaphore

2.3、CountDownLatch

2.4、FutureTask

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Java并发同步器AQS

一、什么是同步器

二、AQS框架如何构建同步器

1、同步器的基本功能

2、同步状态的获取与释放

2.1、独占模式

2.2、共享模式

3、状态获取、释放成功或失败的后续行为：线程的阻塞、唤醒机制

4、线程阻塞队列的维护

5、小结

三、AQS在各同步器内的Sync与State实现

1、什么是state机制：

2、不同实现类的Sync与State：

2.1、ReentrantLock

2.2、Semaphore

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