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，