AQS源码解析之锁的获取与释放

# 1. 介绍

## 1.1 AQS简介

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于构建锁和同步器的框架。它提供了一种实现阻塞锁和相关同步器的强大方式，是并发工具包中许多同步组件的基础，比如ReentrantLock、Semaphore和CountDownLatch等。AQS使用一种简单且高效的方式来管理同步状态，提供了一个可重用的同步框架，可以支持基于FIFO等待队列的阻塞同步和解锁。

## 1.2 锁的基本概念

在多线程编程中，锁是用来控制对共享资源的访问的机制。当多个线程需要访问共享资源时，通过获取锁来确保同一时刻只有一个线程可以访问该资源，从而避免数据竞争和不一致性。

锁的基本概念可以分为两种：
- 共享锁：多个线程可以同时获取该锁，用于支持并发读取操作。
- 排它锁：同一时刻只有一个线程可以获取该锁，用于支持独占的写入操作。

在接下来的章节中，我们将深入探讨AQS框架中锁的获取、释放，以及其底层实现和源码解析。

# 2. 锁的获取

在多线程编程中，锁的获取是非常重要的操作，它可以保证线程对共享资源的访问是安全的。在AQS中，锁的获取主要涉及到共享锁与排它锁、锁的获取过程以及LockSupport类的使用。

#### 2.1 共享锁与排它锁

在AQS中，锁可以分为共享锁和排它锁。共享锁是一种允许多个线程同时获取的锁，用于支持多个线程同时对资源进行读取操作；而排它锁则只允许一个线程获取，其他线程需要等待该线程释放锁后才能获取，用于保证对资源进行写入操作时的排他性。

#### 2.2 锁的获取过程

AQS中的锁获取过程主要涉及到线程的阻塞等待和唤醒操作。当一个线程尝试获取锁时，如果锁已被其他线程占用，那么该线程会被阻塞，直到锁释放后被唤醒；如果锁未被占用，那么该线程可以顺利获取到锁。

#### 2.3 AQS中的LockSupport类

LockSupport是AQS中用于线程阻塞和唤醒的工具类，它可以让线程在获取锁时进行阻塞，以及在锁释放时进行唤醒。通过调用park()方法进行阻塞，以及调用unpark()方法进行唤醒，LockSupport类为AQS的锁获取过程提供了基础支持。

以上是锁的获取章节的详细介绍，接下来我们将深入讨论AQS中锁的释放过程。

# 3. 锁的释放

在本章中，我们将讨论锁的释放过程以及AQS中的Condition接口和独占模式与共享模式的切换。

#### 3.1 锁的释放过程

在AQS中，锁的释放是与锁的获取相对应的过程。当持有锁的线程已经完成了它所需的操作，需要释放锁，以便其他线程能够获取到锁并执行自己的操作。在AQS中，包含了相应的释放锁的方法，如`release()`等。

在释放锁的过程中，AQS会根据当前同步状态来决定是否需要唤醒等待队列中的线程，以便这些线程有机会获取到锁并执行。释放锁的过程是一个关键的操作，需要确保释放的时机是合适的，以避免出现死锁或者其他并发问题。

#### 3.2 AQS中的Condition接口

在AQS中，除了基本的独占锁和共享锁机制外，还提供了Condition条件队列的支持。Condition接口提供了类似于`wait()`和`notify()`方法的功能，允许线程在特定的条件下等待和唤醒。

Condition接口的方法包括`await()`、`signal()`和`signalAll()`等，在特定的场景下非常有用，可以实现复杂的线程协作逻辑，避免了使用synchronized和wait/notify方式进行线程间的通信和协调。

#### 3.3 AQS中的独占模式与共享模式切换

AQS中同时支持独占模式和共享模式的锁机制。在实际应用中，有些场景下需要同时支持独占和共享两种模式的锁，AQS提供了相应的支持。

在AQS中，可以通过`tryAcquireShared()`和`tryReleaseShared()`等方法来实现共享模式下的锁获取和释放，同时AQS内部也提供了对应的统一的队列维护和线程调度机制。

通过AQS中的独占模式与共享模式的切换机制，我们能够更加灵活地应用AQS来实现复杂的线程同步和协作逻辑，同时提高了代码的可维护性和可扩展性。

以上是关于锁的释放、AQS中的Condition接口以及独占模式与共享模式切换的讨论，下一章节将进一步深入探讨AQS的底层实现。

# 4. AQS的底层实现

在本节中，我们将深入探讨AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的底层实现原理，包括其数据结构、同步器状态的获取和更新以及等待队列和同步队列的机制。

#### 4.1 AQS的数据结构

AQS的核心数据结构是基于一个FIFO的双向队列，用于存储处于等待锁状态的线程。在AQS内部，通过Node类来表示一个等待在同步器上的线程，Node内部维护了线程状态、前驱节点和后继节点等信息。AQS还维护了一个同步器状态（state）变量，用于表示同步器的状态，比如锁的状态等。在实际的锁实现中，通常会将state变量作为标识锁的状态的依据。

// Node类用于表示等待在同步器上的线程
static final class Node {
    // 线程状态，用int表示
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    // ...
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    // ...
}

// AQS的主要数据结构
static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 同步器状态
    private volatile int state;
    // 等待队列的头节点和尾节点
    private transient Node head;
    private transient Node tail;
    // ...
}

#### 4.2 AQS的同步器状态获取和更新

AQS通过一些原子性的CAS操作来更新同步器状态，以及实现线程加入等待队列和唤醒等待线程的操作。核心方法如compareAndSetState()、enq()和setHeadAndPropagate()等都是基于CAS操作来实现同步器状态的更新和线程的管理。

// AQS中的CAS操作更新同步器状态
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

// AQS中的线程加入等待队列的操作
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

// AQS中唤醒等待线程的操作
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head; // Record old head for check below
    head = node;
    if ((propagate & PROPAGATE) != 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

#### 4.3 AQS中的等待队列和同步队列

AQS内部的等待队列和同步队列是基于双向链表实现的，等待队列用于存储因等待锁而被阻塞的线程，而同步队列则用于存储已经获取了锁的线程。AQS通过对节点的状态（例如waitStatus）进行管理，将节点从等待队列转移到同步队列，并进行适当的唤醒操作。

// AQS中的等待队列和同步队列
static final class Node {
    // 等待队列中的线程状态
    volatile int waitStatus;
    // ...
    // 判断节点是否已经被取消
    final boolean isCancelled() {
        return waitStatus == CANCELLED;
    }
    // 判断节点是否在同步队列中
    final boolean isOnSyncQueue() {
        return prev != null;
    }
    // ...
}

通过以上内容，我们对AQS的底层实现原理有了更深入的了解，包括其数据结构、同步器状态的获取和更新，以及等待队列和同步队列的机制。接下来，我们将继续深入探讨AQS源码解析和应用场景与优化。

# 5. AQS源码解析

在本章节中，我们将深入分析AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的源代码，通过对AQS的基本方法、独占模式和共享模式方法以及条件变量实现的解析，来加深对AQS内部工作机制的理解。

#### 5.1 AQS的基本方法解析

AQS类中定义了一系列基本方法，如`acquire`、`release`、`tryAcquire`、`tryRelease`等，这些方法提供了对锁的获取和释放操作进行了抽象，具体的实现由其子类完成。下面是AQS的基本方法所对应的代码示例：

// Java示例代码
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    // ...

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

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

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

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

    public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
           acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
           selfInterrupt();
    }

    // ...
}

通过上述代码可以看出，AQS的基本方法均为protected级别，具体的锁获取和释放逻辑由继承AQS的子类实现。这种设计模式允许子类根据自身的需求来定制锁的获取和释放过程，从而实现更加灵活的同步控制。

#### 5.2 AQS的独占模式和共享模式方法解析

AQS支持独占模式和共享模式两种锁。独占模式和共享模式的实现是通过`tryAcquire`、`tryRelease`等方法和`tryAcquireShared`、`tryReleaseShared`等方法来实现的。下面是AQS中独占模式和共享模式方法的部分代码示例：

// Java示例代码
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    // ...

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

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

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

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

    // ...
}

在实际的AQS子类中，我们会看到这些方法的具体实现，它们是实现独占锁和共享锁的核心逻辑。

#### 5.3 AQS的条件变量实现解析

除了支持基本的独占锁和共享锁之外，AQS还提供了条件变量的支持，这是通过内部的`ConditionObject`类来实现的。`ConditionObject`提供了`await`、`signal`、`signalAll`等方法，用于在等待队列和同步队列中的节点进行等待和唤醒。下面是部分`ConditionObject`的代码示例：

// Java示例代码
public class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    // ...

    private ConditionObject newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }

    // ...

    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        // ...

        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

        // ...
    }

    // ...
}

通过上述代码可以看出，`ConditionObject`通过`addConditionWaiter`方法将节点加入到条件等待队列中，并通过`LockSupport.park`方法实现线程的阻塞，同时监听是否被唤醒。这样实现了条件等待和唤醒的功能。

在这一章节中，我们通过对AQS基本方法、独占模式和共享模式方法以及条件变量实现的解析，加深了对AQS内部机制的理解。

# 6. AQS的应用场景与优化

### 6.1 AQS在ReentrantLock中的应用

ReentrantLock是基于AQS实现的一个可重入锁，它支持以下特性：
- 独占模式：同一时刻只能有一个线程获得锁，并且可以重复获取多次。
- 公平性：可以选择公平模式和非公平模式，公平模式下按照线程请求锁的顺序获取锁。
- 条件变量：支持通过Condition对象实现精确的线程等待和唤醒机制。

下面是一个简单的示例，展示了ReentrantLock的使用过程：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 1 acquired the lock");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("Thread 1 released the lock");
                lock.unlock();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 2 acquired the lock");
            } finally {
                System.out.println("Thread 2 released the lock");
                lock.unlock();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

代码解析：
- 在示例中，我们创建了一个ReentrantLock实例，并使用lock()方法来获取锁，使用unlock()方法来释放锁。
- 在线程t1中，首先获取锁，并输出"Thread 1 acquired the lock"，然后休眠2秒钟，最后释放锁。
- 在线程t2中，等待t1释放锁后，获取锁，并输出"Thread 2 acquired the lock"，最后释放锁。

运行结果：

Thread 1 acquired the lock
Thread 1 released the lock
Thread 2 acquired the lock
Thread 2 released the lock

从运行结果可以看出，在t1释放锁之后，t2才能获取锁并执行相应操作。这符合ReentrantLock的独占模式特性。

### 6.2 AQS在Semaphore中的应用

Semaphore是基于AQS实现的一个信号量，它用于控制同时访问某个资源的线程数，可以灵活地指定许可数。

以下是一个简单的示例，展示了Semaphore的使用过程：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreDemo {
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("Thread 1 acquired the permit");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("Thread 1 released the permit");
                semaphore.release();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("Thread 2 acquired the permit");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("Thread 2 released the permit");
                semaphore.release();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

代码解析：
- 在示例中，我们创建了一个Semaphore实例，并指定许可数为2。
- 在线程t1中，首先调用acquire()方法获取一个许可，输出"Thread 1 acquired the permit"，然后休眠2秒钟，最后释放许可。
- 在线程t2中，等待t1释放许可后，再次获取许可，并输出"Thread 2 acquired the permit"，最后释放许可。

运行结果：

Thread 1 acquired the permit
Thread 1 released the permit
Thread 2 acquired the permit
Thread 2 released the permit

从运行结果可以看出，虽然有两个线程在竞争许可，但同时只有一个线程可以获取到许可，符合Semaphore的特性。

### 6.3 AQS在CountDownLatch中的应用

CountDownLatch是基于AQS实现的一个倒计时门闩，它用于控制一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。

下面是一个简单的示例，展示了CountDownLatch的使用过程：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchDemo {
    private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread 1 task done");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                latch.countDown();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println("Thread 2 task done");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                latch.countDown();
            }
        });

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            try {
                latch.await();
                System.out.println("All tasks done, Thread 3 starts");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

代码解析：
- 在示例中，我们创建了一个CountDownLatch实例，指定计数器初始值为2。
- 在线程t1和t2中，模拟耗时任务，分别休眠2秒和3秒，然后输出"Thread 1 task done"和"Thread 2 task done"，最后调用countDown()方法减少计数器。
- 在线程t3中，调用await()方法等待计数器归零后继续执行，输出"All tasks done, Thread 3 starts"。

运行结果：

Thread 1 task done
Thread 2 task done
All tasks done, Thread 3 starts

从运行结果可以看出，线程t3等待t1和t2完成任务后才继续执行，符合CountDownLatch的特性。

### 6.4 AQS的性能优化措施

AQS在底层实现上采用了CLH队列和CAS原子操作，确保了高效的并发性能。此外，AQS还提供了一些性能优化措施，例如：
- 自旋锁：在获取锁失败时，线程会先尝试自旋一段时间，避免线程被挂起和唤醒的开销。
- 无锁优化：对于一些特殊情况，AQS可以选择不使用锁来进行同步，例如只有一个线程参与的场景。
- 阻塞直到唤醒：当线程释放锁后，通过唤醒被阻塞的线程，避免了线程被唤醒后继续竞争锁的开销。

这些优化措施使得AQS在高并发场景下具有较好的性能和灵活性。

以上是AQS的应用场景及其性能优化措施的简要介绍。通过深入理解AQS的原理和实现机制，我们可以更好地使用和扩展基于AQS的同步工具，并设计高效的多线程应用。