AQS源码解析之AbstractQueuedSynchronizer类

# 1. AQS简介

### 1.1 AQS的作用和特点

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包中一个重要的基础类，用于实现同步器的底层机制。AQS提供了一种可重入的互斥锁和其他同步组件的实现方式。

AQS的主要特点包括：
- 状态管理：AQS内部维护了一个32位的int类型状态变量，用于表示同步组件的状态。
- 线程排队：AQS通过内部的双向队列，管理竞争同步组件的线程，实现公平和非公平的线程调度机制。
- 按需阻塞和唤醒：AQS提供了条件变量（Condition）的支持，使得线程可以安全地等待和被唤醒。

### 1.2 AQS的基本原理

AQS基于一种称为"AbstractQueuedSynchronizer"的同步队列数据结构实现了同步器的基本功能。AQS内部维护了一个FIFO的双向队列，用于存放等待锁的线程。当线程请求锁时，如果锁已经被占用，将当前线程包装成一个节点加入到同步队列中，并进入阻塞状态。当持有锁的线程释放锁时，AQS会从同步队列中唤醒一个或多个等待的线程。

AQS利用了Java中的内置的synchronized关键字和Lock接口，通过实现tryAcquire和tryRelease等关键方法，来实现对同步状态的获取和释放。

### 1.3 AQS的应用场景

AQS在Java并发框架的实现中发挥了重要作用，常见的应用场景包括：
- 独占锁：通过AQS可实现可重入锁（ReentrantLock）和读写锁（ReentrantReadWriteLock）等。
- 同步工具类：通过AQS的扩展机制，可以实现信号量（Semaphore）、倒计时门闩（CountDownLatch）等。
- 并发框架：线程池Executor、FutureTask等并发工具类中都依赖于AQS提供的同步机制。

以上是AQS简介章节的内容，后续章节将深入探讨AQS的内部结构、核心方法、扩展机制以及在并发框架中的应用。

# 2. AQS的基本结构

#### 2.1 AQS的内部数据结构

在AQS的内部，主要包括了以下几个关键的数据结构：

// Node节点，用于构建CLH队列
static final class Node {
    // 表示共享模式
    static final Node SHARED = new Node();
    // 表示独占模式
    static final Node EXCLUSIVE = null;
    // 表示线程取消竞争
    static final int CANCELLED =  1;
    // 表示后继节点需要唤醒
    static final int SIGNAL    = -1;
    // 表示当前节点在等待条件队列中
    static final int CONDITION = -2;
    // 表示下一次共享模式设置会传播下去
    static final int PROPAGATE = -3;
    // 用来标识节点的状态，可取值为上面的五个常量之一
    volatile int waitStatus;
    // 上一个节点
    volatile Node prev;
    // 下一个节点
    volatile Node next;
    // 节点对应的线程
    volatile Thread thread;
    // 记录在共享模式下，共享状态等待线程数
    Node nextWaiter;
}

#### 2.2 AQS的状态管理

AQS的状态通过`getState`和`setState`方法来管理，我们可以通过这两个方法来实现对共享资源的状态管理，例如在ReentrantLock中，就是通过AQS的`getState`和`setState`来控制锁的状态。

// 获取状态
protected final int getState() {
    return state;
}
// 设置状态
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

#### 2.3 AQS的线程排队机制

AQS的线程排队机制主要通过双向队列来实现，通过对节点的`prev`和`next`进行操作，实现了一个基于CLH（Craig, Landin, and Hagersten）的双向队列。当线程失败获取同步状态时，AQS会将该线程以节点的形式加入到同步队列中，然后在自旋中不断尝试获取同步状态，当同步状态释放时，AQS会通过唤醒操作将队列中的线程唤醒来竞争同步状态。

以上是AQS的基本结构及其相关内容，下一节将详细解析AQS的核心方法。

# 3. AQS的核心方法解析

在前面的章节中，我们已经介绍了AQS的基本结构和内部数据结构，本章将重点解析AQS的核心方法。这些方法是AQS实现同步和互斥的关键所在，理解这些方法的实现原理对于深入理解AQS类的工作原理非常重要。

#### 3.1 acquire和release方法的原理

AQS类中的`acquire`和`release`方法是实现同步和互斥的基础操作。其中，`acquire`方法负责获取资源或者加入等待队列，而`release`方法则负责释放资源或者唤醒等待线程。下面我们将分别对这两个方法进行详细解析。

##### 3.1.1 acquire方法的原理

`acquire`方法用于获取资源，并根据具体的实现情况决定线程是否需要进入等待状态。其基本原理如下：

1. 首先，调用`tryAcquire`方法尝试获取资源。如果获取成功，则直接返回；
2. 如果获取失败，说明资源已被占用，将当前线程加入等待队列中，并使线程进入等待状态；
3. 当资源释放时，其他线程将尝试获取资源并唤醒等待队列中的线程，使其重新尝试获取资源；
4. 当前线程被唤醒后，重新尝试获取资源，直到成功获取为止。

在具体的场景中，`acquire`方法可以根据需求进行不同的实现方式，例如公平性和非公平性的区别，或者根据条件进行等待/不等待的判断。

##### 3.1.2 release方法的原理

`release`方法用于释放资源，并唤醒等待队列中的线程。其基本原理如下：

1. 首先，调用`tryRelease`方法释放资源。如果释放成功，则继续执行；如果失败，则抛出异常；
2. 释放资源后，AQS会尝试唤醒等待队列中的线程。具体的唤醒方式可以根据需求进行实现，如公平性或条件判断等。

`release`方法的实现也可以根据具体的场景进行扩展，例如可重入锁的情况下需要考虑持有资源的数量等。

#### 3.2 tryAcquire和tryRelease方法的实现

`tryAcquire`和`tryRelease`方法是AQS类中真正实现同步和互斥的关键方法，通过重写这两个方法可以实现特定的同步机制。其中，`tryAcquire`方法用于尝试获取资源，如果成功则返回true；`tryRelease`方法用于尝试释放资源，如果成功则返回true。

在实现`tryAcquire`和`tryRelease`方法时，需要考虑以下几个关键点：

1. 获取和释放资源的原子性：需要保证对资源的操作是原子性的，避免出现竞争条件；
2. 竞争资源的公平性：可以通过使用队列等待机制来保证资源的公平分配；
3. 同步状态的更新：在成功获取或释放资源后，需要正确更新同步状态。

根据具体的场景和需求，可以灵活地实现`tryAcquire`和`tryRelease`方法，达到特定的同步效果。

#### 3.3 getState、setState和compareAndSetState方法的作用

AQS类中的`getState`、`setState`和`compareAndSetState`方法用于管理AQS的同步状态。其中，`getState`方法用于获取当前同步状态；`setState`方法用于设置新的同步状态；`compareAndSetState`方法用于比较并更新同步状态。

这些方法是AQS实现同步和互斥的基础操作，通过操作同步状态，可以控制线程的行为。对于`compareAndSetState`方法，常用于实现自旋锁和CAS操作。

以上是第三章的内容，我们详细讲解了AQS的核心方法，包括acquire和release方法的原理、tryAcquire和tryRelease方法的实现，以及getState、setState和compareAndSetState方法的作用。在理解了这些核心方法的基础上，我们将进一步探讨AQS的扩展机制和在并发框架中的应用。

# 4. AQS的扩展机制

AQS作为Java中并发编程的基础框架，除了提供基本的同步原语外，还支持了多种扩展机制，如Condition对象、CountDownLatch、Semaphore、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等，在本章节中，我们将深入探讨AQS的扩展机制及其应用实例。

#### 4.1 Condition对象的实现原理

Condition对象是AQS的一个重要扩展，它允许线程在等待某个特定条件成立时进行等待，以及在特定条件满足时进行通知，其内部实现依赖于等待队列和同步状态的管理。下面我们通过一个简单的示例来演示Condition对象的基本用法：

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

public class ConditionExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void await() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入等待状态");
            condition.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "继续执行");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signal() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("发送通知");
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ConditionExample example = new ConditionExample();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                example.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            example.signal();
        });

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

在上述示例中，我们创建了一个ConditionExample类，并且使用ReentrantLock来创建Condition对象。在主线程中，我们创建了两个子线程，一个用于等待条件的满足（await方法），另一个用于发送条件满足的通知（signal方法）。运行示例可以发现，线程在await方法处进入等待状态，直到收到了signal方法发送的通知后继续执行。

通过这个简单的示例，我们可以清晰地了解Condition对象的基本实现原理，以及在实际场景中的应用。

#### 4.2 CountDownLatch和Semaphore的应用实例

在AQS的扩展机制中，CountDownLatch和Semaphore是常用的同步工具，它们分别用于实现一组线程的等待和一组线程的互斥访问。以下是CountDownLatch和Semaphore的基本用法示例：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SyncExample {
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
                    countDownLatch.countDown();
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            t.start();
        }

        try {
            countDownLatch.await();
            semaphore.acquire(2);
            System.out.println("所有线程执行完毕");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上述示例中，我们使用CountDownLatch来等待所有子线程执行完毕，同时使用Semaphore来控制最多两个线程的并发执行。通过运行示例，我们可以观察到CountDownLatch和Semaphore在多线程并发控制中的应用场景。

#### 4.3 ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的内部机制

ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock是基于AQS实现的可重入锁，它们分别用于实现独占锁和读写锁。在这一部分，我们将重点分析ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的内部机制，包括其对AQS同步状态的管理和线程的排队策略。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void doTask() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行任务");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个简单的ReentrantLock示例，展示了如何使用ReentrantLock来保护临界区任务。通过分析ReentrantLock的内部机制，我们能够更深入地理解其基于AQS实现的可重入特性。

通过对这些AQS扩展机制的实例探讨，我们不仅能够了解AQS框架的丰富应用场景，同时也能加深对AQS内部原理的理解，进而提升并发编程能力。

接下来，我们将继续探讨AQS在并发框架中的应用。

# 5. AQS在并发框架中的应用

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发编程中最核心的类之一，它提供了一种基于队列的同步机制，可用于构建各种同步工具。

### 5.1 ThreadPoolExecutor中的AQS应用

在Java中，`ThreadPoolExecutor`是一个常用的线程池实现类，它通过AQS来管理线程的执行和任务的调度。

#### 场景

假设我们有一个需要处理大量任务的应用程序，为了高效利用系统资源，我们希望将这些任务分配给多个线程并行执行。使用`ThreadPoolExecutor`可以很方便地实现这个目标。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExecutorExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个有两个线程的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

        // 向线程池提交任务
        executor.submit(() -> {
            System.out.println("Task 1 is running");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        executor.submit(() -> {
            System.out.println("Task 2 is running");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

#### 代码说明

- 首先，我们使用`Executors.newFixedThreadPool(2)`创建一个有两个线程的线程池。

- 然后，我们向线程池提交两个任务，这两个任务会被分配给线程池中的两个线程并行执行。

- 每个任务都会打印一条简单的消息，并模拟一个耗时操作。

- 最后，我们调用`executor.shutdown()`来关闭线程池。

#### 结果说明

程序的输出结果如下：

Task 1 is running
Task 2 is running

可以看到，两个任务被并行执行，分别打印了对应的消息。

### 5.2 FutureTask的AQS机制解析

在Java中，`FutureTask`是一个可以取消、获取结果和检查任务是否完成的异步任务。它也是基于AQS的一种应用。

#### 场景

假设我们需要执行一个耗时的任务，并且希望能够在任务完成后获取到结果。使用`FutureTask`可以很方便地实现这个目标。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class FutureTaskExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个Callable任务
        Callable<Integer> callable = () -> {
            System.out.println("Task is running");
            Thread.sleep(3000);
            return 100;
        };

        // 创建一个FutureTask，关联上面的任务
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);

        // 启动任务
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            // 获取任务执行结果
            Integer result = futureTask.get();
            System.out.println("Task result: " + result);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

#### 代码说明

- 首先，我们创建一个`Callable`任务，该任务会打印一条消息并模拟一个耗时操作，并返回一个整数结果。

- 然后，我们创建一个`FutureTask`，并将上面的任务关联到该`FutureTask`上。

- 接着，我们启动一个新线程来执行`FutureTask`，即执行上面的任务。

- 最后，我们调用`futureTask.get()`来获取任务的执行结果，并打印出来。

#### 结果说明

程序的输出结果如下：

Task is running
Task result: 100

可以看到，任务首先打印了一条消息，然后休眠3秒，最后返回了结果值，我们成功地获取到了任务的执行结果。

### 5.3 Fork/Join框架中的AQS使用案例

在Java中，`Fork/Join`框架是一种用于并行计算的框架，它采用了工作窃取算法，并且也是基于AQS的一种应用。

#### 场景

假设我们需要对一个大型的任务集合进行并行计算，以提高计算速度。使用`Fork/Join`框架可以很方便地实现这个目标。

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

public class ForkJoinExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个ForkJoinPool
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();

        // 创建一个大型任务
        MyTask myTask = new MyTask(1, 100);

        // 提交任务给ForkJoinPool并获取返回结果
        Integer result = forkJoinPool.invoke(myTask);

        System.out.println("Task result: " + result);
    }

    // 自定义的RecursiveTask
    static class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {
        private static final int THRESHOLD = 10;
        private int start;
        private int end;

        public MyTask(int start, int end) {
            this.start = start;
            this.end = end;
        }

        @Override
        protected Integer compute() {
            if (end - start <= THRESHOLD) {
                // 当任务足够小，直接计算并返回结果
                int sum = 0;
                for (int i = start; i <= end; i++) {
                    sum += i;
                }
                return sum;
            } else {
                // 分解任务
                int mid = (start + end) / 2;
                MyTask leftTask = new MyTask(start, mid);
                MyTask rightTask = new MyTask(mid + 1, end);

                // 提交子任务到ForkJoinPool并获取返回结果
                leftTask.fork();
                rightTask.fork();

                // 合并子任务的结果
                return leftTask.join() + rightTask.join();
            }
        }
    }
}

#### 代码说明

- 首先，我们创建一个`ForkJoinPool`，它是用于管理并行任务的线程池。

- 然后，我们创建一个大型任务`MyTask`，它继承自`RecursiveTask`，并实现了`compute`方法。

- `MyTask`中的`compute`方法递归地将任务分解成更小的子任务，并将子任务提交给`ForkJoinPool`并获取返回结果。

- 当任务被分解到足够小的规模时，直接计算并返回结果。

- 最后，我们通过调用`forkJoinPool.invoke(myTask)`来提交任务并获取结果。

#### 结果说明

程序的输出结果如下：

Task result: 5050

可以看到，我们成功地对1到100的数字序列进行了求和计算，并得到了正确的结果。

# 6. AQS源码分析实例

在本章中，我们将深入分析AQS类的源码结构，并通过实际的代码示例跟踪AQS关键方法的调用流程，探讨AQS的内部实现细节。

#### 6.1 分析AQS的源码结构

AQS类是Java并发包中的核心类之一，其源码结构清晰，包含了内部数据结构、核心方法的实现以及线程排队等重要内容。我们根据AQS的源码结构来深入了解其实现原理和核心逻辑。

#### 6.2 跟踪AQS关键方法的调用流程

我们选取AQS类中的acquire方法为例，通过详细的代码示例来跟踪该方法的调用流程。我们将从方法的调用入口开始，逐步分析其内部实现，解释每一步的关键逻辑和数据结构变化。

下面是一个Java语言的代码示例，用以跟踪AQS的acquire方法的调用流程：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class AQSTrackingExample {
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        protected boolean tryAcquire(int acquires) {
            // 自定义的acquire逻辑
            return false;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sync sync = new Sync();
        sync.acquire(1); // 跟踪acquire方法的调用流程
    }
}

通过以上示例代码，我们将深入分析Acquire方法的内部实现细节，包括线程排队、状态变更等关键逻辑。

#### 6.3 探讨AQS的内部实现细节

在本节中，我们将进一步探讨AQS的内部实现细节，包括对数据结构的分析、线程排队机制的原理、状态管理等方面的内容。通过对这些细节的深入讨论，读者将更加全面地理解AQS类的内部实现原理。

以上是本章的概要内容，接下来我们将深入分析AQS类的源码结构，并以具体的代码示例带领读者跟踪AQS关键方法的调用流程，最后进一步探讨AQS的内部实现细节，以期为读者提供深入理解AQS类的有力辅助。