AQS原理

一、简介

AQS即AbstractQueuedSynchronizer，中文叫做队列同步器。是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

二、使用AQS构建同步组件

同步器的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现它的方法来管理同步状态。子类被推荐被定义为同步组件的静态内部类。

2.1 访问和修改同步状态

• getState()：获取同步状态；

• setState(int newState)：设置当前同步状态；

• compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS设置当前状态，该方法保证状态设置的原子性；

2.2 同步器可重写的方法

• boolean tryAcquire(int arg)：独占式获取同步状态；

• boolean tryRelease(int arg)：独占式释放同步状态；

• int tryAcquireShared(int arg)：共享式获取同步状态；

• boolean tryReleaseShared(int arg)：共享式释放同步状态；

• boolean isHeldExclusively()：当前同步器是否在独占模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程所独占。

以上方法不需要全部都实现，根据获取锁的种类可以选择实现不同的方法，支持独占获取锁的同步器应该实现tryAcquire，tryRelease和isHeldExclusively，而支持共享获取的同步器应该实现tryAcquireShared，tryReleaseShared和isHeldExclusively。

下面看一下ReentrantLock的设计：

三、获取锁和释放锁

同样我们对ReentrantLock的加锁和释放锁的源码进行分析，这里我们只分析一下非公平锁的加锁和释放，公平锁类似。

3.1 获取锁

//NonfairSync实现
final void lock() {
    //安全的设置同步状态，如果成功，则获得锁，如果失败，则去尝试获取独享锁
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

//AQS实现。尝试获取独享锁，如果失败则进入等待队列并循环尝试获取独享锁
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

//NonfairSync实现
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

//Sync实现。
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //如果锁没有被占用，则尝试获取锁，成功则返回，和lock方法逻辑类似
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //如果是当前线程只有锁，则同步状态+1并成功返回，这里实现了可重入锁的逻辑
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

//AQS实现。创建线程节点并添加到同步队列的尾节点。
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //如果尾节点为null，说明队列没有初始化，则进行队列初始化并加入到尾节点
    enq(node);
    return node;
}

//AQS实现。初始化队列并循环添加到尾节点直到成功。
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) {
            //初始化队列
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

//AQS实现。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            //当节点先驱是头节点时，则尝试获取锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //如果获取到锁，则将当前节点设置为头节点，并回收旧的头节点
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            //如果先驱节点不是头节点或者获取锁失败的话，判断是否可以休息，可以的话进入waiting，直到被unpark()
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

3.2释放锁

//ReentrantLock实现
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

//AQS实现。
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);//如果头节点不为空，为唤醒头节点
        return true;
    }
    return false;
}

//Sync实现。释放锁设置同步状态
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}