简单介绍AQS原理及其应用场景

# 1. AQS简介
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个用于构建锁和同步器的框架，是Java中实现锁的基础，提供了一种便捷且高效的实现机制。在并发编程中，AQS扮演着重要的角色，其设计的核心思想是将排队机制的管理操作从具体的实现中分离出来，提供了一种通用的实现模式，为开发者提供了一种强大的工具。

## 1.1 AQS的全称和定义
AQS是AbstractQueuedSynchronizer的缩写，它提供了一个框架用于实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关同步器。AQS定义了两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore）。同时，AQS的设计是建立在对其状态的访问和更新操作之上的，并通过内置的FIFO队列来管理获取不到资源的线程。

## 1.2 AQS的作用和特点
AQS主要用于构建同步器，其作用是提供了一种便捷且高效的方式来实现锁和相关的同步器。AQS的特点包括：
- 提供了一个可拓展的框架，允许用户编写自定义的同步器；
- 内置了FIFO等待队列，用于管理获取不到资源的线程；
- 支持独占锁和共享锁，满足不同场景的需求；
- 使用了CAS操作，保证了多线程情况下对状态的安全修改。

在下一个章节中，我们将深入探讨AQS的基本原理，以便更好地理解其在并发编程中的应用。

# 2. AQS的基本原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于构建同步器的框架，在并发编程中起着非常重要的作用。了解AQS的基本原理对于理解Java并发编程以及自定义同步器非常重要。本章将详细介绍AQS的基本原理，包括其核心数据结构、同步队列和等待队列、以及共享和独占模式等内容。

### 2.1 AQS的核心数据结构

AQS的核心数据结构是一个volatile int类型的成员变量state，它表示共享资源的状态。AQS利用这个成员变量来实现对共享资源的访问控制。在AQS的实现中，state的高16位用于表示获取共享资源的线程数，低16位用于表示排它模式下的线程获取状态。AQS将state的操作封装在Unsafe类中，通过CAS原子操作来实现对state的操作，保证线程安全性。

### 2.2 AQS的同步队列和等待队列

AQS内部维护了两种队列：同步队列（sync queue）和等待队列（wait queue）。同步队列用于存放已经获取到锁的线程，等待队列用于存放等待获取锁的线程。在AQS中，通过内置的FIFO队列来实现同步队列和等待队列，当一个线程获取不到锁时，会被加入到等待队列中进行阻塞，当释放锁时会唤醒等待队列中的线程。

### 2.3 AQS的共享和独占模式

AQS支持两种模式：独占模式和共享模式。独占模式是指在同一时刻只允许一个线程获取锁，而共享模式可以允许多个线程同时获取锁。AQS通过state来表示共享资源的状态，并通过不同的方法来实现独占和共享模式的获取和释放操作。在不同的同步器中，可以根据需要选择适合的模式来实现特定的并发控制。

以上是AQS的基本原理的介绍，通过对AQS的核心数据结构、同步队列和等待队列、以及共享和独占模式的理解，能够更好地理解AQS在并发编程中的作用和实现原理。接下来，将通过具体的代码示例来进一步说明AQS的实现细节和应用场景。

# 3. AQS的实现细节

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于实现自定义锁和同步器的基础类。本章将详细介绍AQS的实现细节。

#### 3.1 AQS的状态和状态传播

AQS的核心是维护一个状态（state）变量，通过该变量来表示资源的占用情况。状态可以是独占模式或共享模式，根据具体需求进行设置。

AQS使用CAS（Compare and Swap）操作，保证状态的原子性。CAS操作首先获取当前状态值，然后根据预期值判断是否相等，如果相等则将新的值设置进去；否则，重新获取状态值并重复上述步骤。

在AQS中，锁的获取和释放是通过acquire方法和release方法实现的。acquire方法根据不同的模式（独占或共享）进行不同的处理逻辑，而release方法则是简单地更新状态。

AQS具有状态传播的特性，即一个线程释放锁之后，可能会唤醒其他等待的线程去获取锁。这被称为锁的释放与传播，通过tryRelease方法和doReleaseShared方法实现。

#### 3.2 AQS的condition和锁的相关机制

AQS提供了Condition对象来支持锁的等待和唤醒操作。Condition相对于传统的Object的wait和notify方法，提供了更加灵活和高级的功能。

在AQS中，每个Condition对象都和一个等待队列相关联。当调用Condition的await方法时，会将当前线程加入到相应的等待队列中，并释放锁。当其他线程调用Condition的signal方法时，会从等待队列中选择一个线程唤醒，并重新竞争锁。

通过Condition，可以实现更加细粒度的线程等待和唤醒机制，提高性能和可扩展性。

#### 3.3 AQS的阻塞和唤醒过程

AQS的同步队列是实现线程阻塞和唤醒的关键。AQS中的同步队列是一个由Node节点构成的双向链表，每个线程通过一个节点来表示。

当一个线程调用acquire方法时，会创建一个节点并加入到同步队列的尾部，然后通过自旋的方式尝试获取锁。如果自旋获取锁失败，线程会被阻塞，并处于等待状态。

当一个线程释放锁时，会唤醒同步队列中的下一个节点，使其重新竞争获取锁。如果唤醒的线程获取到了锁，就可以继续执行；否则，该线程会继续阻塞。

AQS通过volatile变量来保证线程间的可见性，通过LockSupport类来实现线程的阻塞和唤醒。

以上就是AQS实现细节的介绍，了解这些底层原理有助于我们更好地理解和使用AQS相关的类和接口。在后续章节中，我们会介绍AQS的具体应用场景和示例解析。

# 4. AQS的应用场景一：ReentrantLock

### 4.1 ReentrantLock的简介和使用方式

ReentrantLock是Java多线程编程中常用的一种锁，相比于synchronized关键字，ReentrantLock提供了更多的功能和灵活性。

使用ReentrantLock可以通过以下步骤进行：

1. 创建ReentrantLock对象，通常会使用Lock接口进行声明，具体的实现类是ReentrantLock。

   Lock lock = new ReentrantLock();

2. 在需要加锁的代码块前调用`lock()`方法，获取锁。

   lock.lock();
   try {
       // 需要加锁的代码块
   } finally {
       // 在finally中一定要释放锁
       lock.unlock();
   }

3. 确保在加锁的代码块中释放锁，一般使用`unlock()`方法。

### 4.2 ReentrantLock与AQS的关系

ReentrantLock的实现正是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。AQS提供了具体锁的实现，而ReentrantLock则是使用AQS的实现来提供具体的锁功能。

在ReentrantLock的内部，有一个Sync内部类，继承自AQS。Sync类是ReentrantLock的核心部分，将AQS的抽象方法实现为具体的锁操作。ReentrantLock的`lock()`和`unlock()`方法实际上是调用Sync的`acquire()`和`release()`方法来实现加锁和释放锁的功能。

static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 实现AQS抽象方法，尝试获取锁
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) { // 锁没有被占用
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 锁被当前线程占用，可重入
        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;
   }

    // 实现AQS抽象方法，释放锁
    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;
    }
}

ReentrantLock通过AQS的实现提供了可重入的加锁和释放锁操作，并且支持公平性和非公平性两种锁的获取方式。

### 4.3 ReentrantLock的应用场景及示例解析

ReentrantLock可以应用于各种多线程编程的场景中，特别是当需要对共享资源进行访问控制时。下面我们来看一个简单的示例，展示ReentrantLock的应用。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private static int count = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                increment();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Count: " + count);
    }
}

在这个示例中，我们使用ReentrantLock对共享的计数器进行加锁和释放锁操作。两个线程分别对计数器进行1000次的自增操作，最后输出计数器的结果。

通过使用ReentrantLock，我们可以确保对共享资源的互斥访问，避免了并发访问时可能出现的问题。同时，ReentrantLock还支持可重入，即同一个线程可以多次获取相同的锁，这在某些场景下非常有用。

总结：ReentrantLock通过基于AQS的实现，提供了可重入、公平性和非公平性等多样化的锁操作，可以满足各种多线程编程场景中对于共享资源的访问控制需求。

# 5. AQS的应用场景二：CountDownLatch

#### 5.1 CountDownLatch的简介和使用方式

CountDownLatch是一种并发控制工具，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。在CountDownLatch内部有一个计数器，每当一个线程完成了自己的任务，计数器的值就会减一。当计数器的值变为0时，所有在CountDownLatch上等待的线程都会被唤醒。

在Java中，CountDownLatch由java.util.concurrent包提供，可以使用以下方式进行初始化：

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);  // 初始化计数器为3

然后，当需要等待的线程执行完毕时，可以使用await方法进行等待，而需要唤醒其他等待线程时，可以使用countDown方法进行计数器减一操作。

#### 5.2 CountDownLatch与AQS的关系

CountDownLatch的实现依赖于AQS的共享模式，通过继承AQS，CountDownLatch内部维护了一个同步队列和计数器，通过AQS的acquire和release操作来实现线程的等待和唤醒。

#### 5.3 CountDownLatch的应用场景及示例解析

CountDownLatch常用于多线程任务协调的场景，例如主线程等待子线程完成任务后再继续执行，或者多个线程等待某个共同事件的发生后同时执行。

以下是一个简单的示例，主要展示了CountDownLatch的基本使用方法：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);  // 初始化计数器为2

        Thread worker1 = new Thread(new Worker(latch));
        Thread worker2 = new Thread(new Worker(latch));

        worker1.start();
        worker2.start();

        latch.await();  // 等待计数器变为0

        System.out.println("All workers have finished, main thread can proceed.");
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CountDownLatch latch;

        Worker(CountDownLatch latch) {
            this.latch = latch;
        }

        public void run() {
            System.out.println("Worker is working...");
            // 模拟工作任务
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            latch.countDown();  // 完成任务，计数器减一
        }
    }
}

运行结果会依次输出"Worker is working..."两次，然后等待2秒后输出"All workers have finished, main thread can proceed."，说明主线程等待两个子线程执行完毕后继续执行。

以上示例简单演示了CountDownLatch的基本使用方式和其与AQS的关系。CountDownLatch通过AQS的实现，实现了多线程任务协调的场景，是并发编程中的重要工具之一。

# 6. AQS的应用场景三：Semaphore
6.1 Semaphore的简介和使用方式
6.2 Semaphore与AQS的关系
6.3 Semaphore的应用场景及示例解析

### 6.1 Semaphore的简介和使用方式

Semaphore（信号量）是一种用于控制并发访问资源的同步工具，它可以控制同时访问的线程数量。Semaphore维护了一组许可证，线程需要获取许可证才能访问被保护的资源。当许可证被请求时，Semaphore会检查是否有可用的许可证，如果有则将许可证分配给线程，否则线程将被阻塞等待。当线程完成使用资源后，它将释放许可证，以便其他线程可以获取许可证并使用资源。

Semaphore的使用方式如下：

1. 创建Semaphore对象，指定线程的数量限制。

2. 调用acquire()方法获取许可证。

3. 执行对资源的访问和操作。

4. 调用release()方法释放许可证。

Semaphore的使用可以帮助我们限制同时访问某些资源的线程数量，控制并发度，提高线程的执行效率。

### 6.2 Semaphore与AQS的关系

Semaphore是AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的一种具体实现，它使用AQS提供的同步机制来实现对许可证的管理和控制。

Semaphore内部维护了一个AQS的实例，通过对其进行共享模式下的获取和释放操作，来实现线程对许可证的获取和释放。

Semaphore的构造方法会调用AQS的构造方法，在AQS的状态字段中记录了当前可用的许可证数量。

Semaphore的acquire()方法会调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，在获取许可证之前会进入阻塞队列，当许可证可用时被唤醒。

Semaphore的release()方法会调用AQS的releaseShared()方法，释放许可证并唤醒等待队列中的线程。

### 6.3 Semaphore的应用场景及示例解析

Semaphore的应用场景非常广泛，常见的场景包括线程池的大小控制、资源池的可用性控制、控制并发访问的数量限制等。

下面以一个简单的示例来说明Semaphore的使用：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    // 创建Semaphore对象，设置许可证数量为2
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    // 模拟需要访问资源的线程
    private static class ResourceThread extends Thread {
        private final int resourceId;

        public ResourceThread(int resourceId) {
            this.resourceId = resourceId;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                // 获取许可证
                semaphore.acquire();
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取到了资源" + resourceId);
                Thread.sleep(1000); // 模拟访问资源的耗时操作
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了资源" + resourceId);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 释放许可证
                semaphore.release();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建3个线程，模拟对资源的访问
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread thread = new ResourceThread(i);
            thread.start();
        }
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个Semaphore对象，并将许可证数量设置为2。然后创建了3个线程模拟对资源的访问，在执行访问资源操作之前，线程需要调用`acquire()`方法获取许可证。当有两个线程获取到许可证时，第三个线程将被阻塞，直到有一个线程释放许可证。每个线程完成资源访问后，都会调用`release()`方法释放许可证，以便其他线程可以获取许可证。

运行上述示例，可以看到线程按照获取许可证的顺序依次访问资源，并且同一时间只有两个线程可以同时访问资源。

Semaphore的使用可以帮助我们合理控制并发访问的线程数量，防止资源竞争和线程堵塞，提高系统的性能和可靠性。

通过上述示例，我们对Semaphore的使用和原理有了更深入的理解。Semaphore是AQS的一种具体应用，利用Semaphore可以实现资源访问的限制和控制，对并发编程非常有帮助。在实际开发中，根据需求合理选择Semaphore的许可证数量和使用方式，可以提高系统的性能和并发能力。